Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava
Fakulta strojní
_______________________________________________________________
DOPRAVNÍ A MANIPULAČNÍ
ZAŘÍZENÍ III.
Jaromír Polák
Aleš Slíva
OSTRAVA 2004
__________________________________________________________
ÚVOD
Manipulace s materiálem, jehož významnou částí je právě doprava, je neoddělitelnou
součástí prakticky každého technologického procesu. Výparně ovlivňuje kvalitu, ekonomiku
i bezpečnost práce ve strojírenství, stavebnictví, těžebním průmyslu, ale i v jiných aktivitách
lidské činnosti.
Skriptum Dopravní a manipulační zařízení III. navazuje na předchozí I., II. a IV. díl
stejnojmenných skript a kompletně je doplňuje. Je věnováno oblasti kolejové a okrajově
automobilové dopravy, svislé dopravě pomocí výtahů a oblasti pomocných zařízení při
manipulaci se sypkými hmotami. Skriptum je určeno pro výuku předmětů Dopravní a
manipulační zařízení ve 2. a 3. ročníku Fakulty strojní, Dopravní zařízení a Doprava
v dolech a lomech ve 3. ročníku Fakulty hornicko-geologické a Manipulace s materiálem
ve 3. ročníku Fakulty strojní.
-2-
Prostředky přerušované dopravy
Přerušovaná doprava v porovnání s dopravou plynulou vyžaduje menší investiční
náklady, lépe se přizpůsobuje rychle se měnícím podmínkám (je flexibilnější), je
univerzálnější z hlediska dopravovaných materiálů, ale vyžaduje větší nároky na organizaci
provozu a jeho řízení.
Přerušovaná doprava v oblasti dopravy a manipulace může být realizována po pevném
vedení (kolej, závěsná dráha, nosné lano, speciální pozemní dráha) a to pomocí mobilních
tažných prostředků (lokomotiva, tahač, samohybné vozidlo), tažného lana, tažného řetězu
apod.
Vývoj moderní železniční dopravy je v současnosti podmíněn stále bližším kontaktem
s vědeckým poznáním. Současné problémy moderní železniční dopravy, především
pozorováním vysokorychlostních tratí, už není možno řešit jen jednoduchými a přibližnými
výpočtovými metodami. Do popředí zde vstupují mnohem dokonalejší výpočtové modely
modelující konstrukci trati a pohybující se vozidlo jako jednu mechanickou soustavu,
počítačové simulace a experimentální ověřování složitých dynamických jevů. Jen takovýmto
způsobem můžeme zodpovědně navrhovat a realizovat adekvátní úpravy v konstrukci tratí,
ale i v konstrukci kolejových vozidel.
Význam a důležitost řešení problematiky zvýrazňují také současné vysoké nároky na
spolehlivost interakční soustavy pohybujícího se kolejového vozidla-trať, komfort cestování,
ekologické aspekty železniční dopravy a další. Zvyšování dopravních rychlostí vlaků přímo
souvisí s nárůstem dynamických sil působících na kolejové vozidlo a konstrukci trati. Jde
především o dynamické složky sil, které výrazně ovlivňují spolehlivost komponentů tratigeometrickou polohu kolejových pásů, stabilitu celého kolejového roštu kotveného ve
štěrkovém loži a podvalovém podloží. Změny mechanických parametrů těchto komponentů
špatně a nepříznivě ovlivňují i konstrukci kolejových vozidel, jejich rozkmitávání, vznik
poruch, poškození a rychlé opotřebování.
-3-
1. Kolejová doprava
Pod pojmem kolejová doprava rozumíme dopravu kolejovými vozidly po kolejových
tratích daných rozchodem. Rozchodem rozumíme vzdálenost rovin dotykových kružnic kol
dvojkolí nebo vzdálenost pojížděných hran kolejnic měřených 14 mm, u žlábkových kolejnic
10 mm, pod jejich temeny.
Tam, kde je to potřebné vzhledem ke stísněným podmínkám a malým dopravovaným
množstvím, tj. ve strojírenských provozech, v dolech, se používají úzkorozchodné tratě
s rozchody 600, 750, 760, 800, 914, 1000, 1067 mm. V ČR se používá na jediné trati ČD
rozchod 760 mm (Třemešná ve Slezsku-Osoblaha s délkou 20 km) a dále na dvou
soukromých drahách a to Jindřichův Hradec-Nová Bystřice 33 km a Jindřichův HradecObrataň 46 km.
Na vlečkách ve spojení vnitropodnikové dopravy s vnějším připojením podniku se
používá normálněrozchodná trať (rozchod kol 1435 mm), která tvoří základní páteř
kolejové mimopodnikové dopravy a přepravy osob. Normální rozchod je převládajícím
rozchodem v Evropě, Severní Americe, Austrálii a i v jiných částech světa.
Tratě širokého rozchodu mají rozchod větší než tratě normálního rozchodu. Ze
širokých rozchodům význam rozchod 1524, resp. 1520 mm, který byl zaveden v bývalém
Sovětském svazu a tento rozchod je zaveden na Slovensku a to do blízkosti Košic. Cílem
zavedení tohoto rozchodu stejně jako v blízkosti Katovic (PKP v Polsku) bylo omezit
překládkové operace při vzájemné výměně zboží, zejména pak dovozu železné rudy
z bývalého Sovětského svazu. Další široké rozchody jsou 1600 mm používány v Irsku,
Brazílii a Austrálii a 1670 mm ve Španělsku.
1.1 Konstrukce trati
Z konstrukčního hlediska, ale i z příslušných železničních předpisech a normách pro
stavbu a údržbu tratě, je konstrukce tratě dělená na železniční svršek a železniční spodek
(obr. č. 1.1.1). Železniční spodek je inženýrská konstrukce vybudovaná z největší části
stavební úpravou terénu. Je tvořeno zemním tělesem a umělými stavbami. Umělých staveb,
propustků a mostů se běžně užívá tam, kde železnice křižuje jiné komunikace, strže,
vodoteče. Vysoké náspy a hluboké zářezy se nahrazují umělými stavbami zčásti (opěrné zdi,
zárubní zdi) nebo zcela (viadukty, tunely). K železničnímu spodku náleží dále stavby
-4-
zajišťující stabilitu železničního tělesa (odvodňovací a zpevňovací), tělesa zasahující do
vodotečí a stavby tvořící ochranu proti živelným silám: povodním, sněhu,lavinám, atd.
Z hlediska konstrukčního lze železniční trať považovat za kolejový rošt uložený na
pražcovém podloží (vícevrstvý systém tvořený zpravidla štěrkovým ložem a zemním
tělesem).
Zemní těleso je základní složkou železniční trati, na jejímž stavu je závislá
bezpečnost a hospodárnost provozu. Je tvořeno zářezy vyhloubenými v terénu, náspy
vybudovanými zpravidla z hornin a zemin vytěžených v zářezech, odřezy a kombinací
částečného zářezu a odřezu. Musí být dostatečně únosné a nepodléhat změnám způsobeným
provozním zatížením a vlivům atmosférických činitelů. Důležitým požadavkem je jeho
dokonalé odvodnění. K tomu j třeba vybudovat dostatečně dimenzovaná ochranná a
odvodňovací zařízení, která si za všech okolností zachovají svou funkci. Závady ve funkci
těchto zařízení zaviňují zvýšení vlhkosti materiálu zemního tělesa nebo jeho podloží a tím
snížení stability zemního tělesa.
Pro dobrý stav koleje je zapotřebí, aby pláň železničního spodku byla dostatečně
únosná a přenášela bezpečné zatížení vyvozená železničním provozem a na pláň
prostřednictvím železničního svršku, protože každá trvalá deformace železniční pláně se opět
projeví deformací koleje. Z tohoto hlediska je tedy možno považovat z železničního tělesa za
nejdůležitější část pláň železničního spodku.
Pražcové podloží se skládá z vrstev různé únosnosti a tloušťky, včetně vrstvy
štěrkového lože pod úložnou plochou pražce. Únosnost pražcového podloží se vyjadřuje
hodnotou modulu přetvoření, zjištěného zatěžovací zkouškou tuhé desky o průměru 0,3 m.
Modul přetvoření pražcového podloží vyjadřující závislost mezi zatížením a pružným
zatlačením desky se zjišťuje na povrchu štěrkového lože pod úložnou plochou pražce. Pro
výpočet modulu přetvoření se používá vzorec:
E=
1,5. p.r 5
.10
y
[Pa]
kde
p je specifické zatížení desky [Pa],
r-poloměr zatěžující desky [m],
y- zatlačení zatěžující desky [m].
-5-
(1.1.1),
Modul přetvoření zemní pláně se určuje zatěžovací zkouškou, při které se volí
zatížení desky p=2.105 Pa. V případě, že není možno měření modulu přetvoření zemní pláně
uskutečnit v nejnepříznivějším ročním období, musí se modul přetvoření redukovat
opravným součinitelem. Tento opravný součinitel se stanoví zpravidla jako poměr hodnoty
únosnosti vzorku zeminy saturované vodou k hodnotě únosnosti vzorku zeminy s přirozenou
vlhkostí odebraného při měření modulu přetvoření.
Konstrukce pražcového podloží u ČD se rozděluje do základních 5 typů:
Typ 1 složený z jedné vrstvy a zeminy železničního spodku-štěrkové lože tloušťky
0,3 m pod spodní úložnou plochou pražce.
Typ 2 složený ze dvou vrstev a zeminy železničního spodku-štěrkové lože tloušťky
0,3 m pod spodní úložnou plochou pražce; vrstva nebo štěrkopísku.
Typ 3 složený ze tří vrstev a zeminy železničního spodku-štěrkové lože tloušťky 0,3
m pod spodní úložnou plochou pražce; vrstva štěrkopísku; vrstva zeminy stabilizované
cementem nebo vápnem.
Typ 4 složený ze tří vrstev a zeminy železničního spodku-štěrkové lože tloušťky 0,3
m pod spodní úložnou plochou pražce; vrstva štěrkopísku; živičný koberec.
Typ 5 složený ze tří vrstev a zeminy železničního spodku-štěrkové lože tloušťky 0,3
m pod spodní úložnou plochou pražce; prefabrikovaná deska z předepjatého betonu 3,00 x
0,50 m, tloušťky 0,06m; vrstva písku nebo štěrkopísku.
Pláň železničního spodku je nejdůležitější součást zemního tělesa. Přejímá zatížení
železničního svršku a provozu. Pro únosnost železniční pláně stanovíme podmínku, že
stlačení pláně způsobené účinky pojíždějících vozidel musí zůstat v oboru pružných
deformací, tj. že se nesmí porušit zemina pláně zatížená štěrkovým ložem, protože jinak by se
štěrkové lože do pláně zabořilo.
-6-
Má-li zemina na pláni mít pouze pružné stlačení, musí být zpracována tak, aby měla
rovnovážnou objemovou hmotnost, která odpovídá tlaku, který na pláň vyvozují pojíždějící
vozidla. Únosnost železniční pláně je tedy dána vztahem:
k=
p
[Pa]
μ
(1.1.2),
kde
p je zatížení, při kterém v zemině nastal rovnovážný stav,
μ-součinitel bezpečnosti (vždy >1).
Únosnost zeminy pláně se mění během roku. V zimě, kdy je zemina zmrzlá, je
největší, v době tání, kdy se zemina obohacuje vodou, je nejmenší. V létě, kdy zemina
vysychá se zatěžuje a při podzimních deštích opět klesá. Pro únosnost pláně je rozhodující
stav zeminy s největší vlhkostí v průběhu roku.
Podle výsledků měření na Univerzitě Illinois byl odvozen vyhovující empirický
vzorec pro výpočet max. napětí pod pražcem:
pmax =
0,5387
.p
h1, 25
[Pa]
(1.1.3),
[Pa]
(1.1.4),
kde rovnoměrné napětí na úložné ploše pražce p je
p=
2. P
O
odtud
P-tlak kolejnice na pražec [N],
O-úložná plocha pod pražcem [m2],
h-hloubka pod pražcem [m].
Deformace železničního spodku vzniká překročením její únosnosti při nepříznivém
působení provozního zatížení a atmosférických činitelů, zvláště vody a mrazu. Projevuje se
v začátku zatlačováním štěrku do pláně železničního spodku, později vznikem prohlubní,
vodních pytlů, popř. rozvalením zemního tělesa. Pod kolejnicovými styky vlivem zvýšených
dynamických účinků při přetížení dochází k rychlejšímu zatlačování štěrku do pláně
železničního spodku, tím k jejímu porušení a k vytváření příčných prohlubní pod pražci, ve
kterých se při deštích shromažďuje voda, způsobující rozbřídání zeminy, další zmenšování
její únosnosti a zatlačování štěrku. U takových styků je železniční svršek silně znečištěn
-7-
vystřikujícím bahnem, které se dostává n povrch lože při přejíždění styků. Podbíjením pražců
při udržování výškové polohy kolejnice na takovýchto stycích se dosáhne jen dočasného
zlepšení.
V zimním období při mrazu se mění v deformované pláni voda v led, který nabývá na
objemu, přičemž dochází k tvoření povrchových výmrazků a výškové deformaci koleje.
Výmrazky povrchové způsobují zvednutí koleje o 0,03 až 0,06 m, u vodních pytlů pak
mohou vzniknout výmrazky o výšce 0,10 až 0,20 m. Výšková poloha koleje za mrazu, kdy se
výmrazky tvoří, se upravuje podkládáním dřevěných destiček pod podkladnice. Při tání j
třeba včas tyto destičky vyjmout.
Rozměry a tvar pláně železničního spodku
Šířka pláně železničního spodku u normálně rozchodných železnic ČD je 6,0 m (dříve
5,0 popř. 5,2 m). Zvětšení šířky pláně železničního spodku bylo nutné pro snadnější
manipulaci a lepší pohyb mechanizovaných prostředků pro stavbu a udržování železničního
spodku a svršku. Volná plocha pláně se nazývá pěšina. U trati v oblouku se pláň železničního
spodku rozšiřuje na vnější stranu, aby byla zachována šířka pěšiny při zvýšení a rozšíření
štěrkového lože u koleje převýšením. Velikost rozšíření závisí na hodnotě převýšení a je
uvedena v tab. č. 1.1.1.
Převýšení p (m)
Rozšíření r (m)
0,000-0,030
0
0,031-0,080
0,1
0,081-0,150
0,2
Tab. č. 1.1.1
Na dvojkolejových tratích je šířka pláně železničního spodku závislá na vzdálenosti
os obou kolejí, která je stanovena s ohledem na velikost min. poloměru užitého na trati. Pro
úseky přímé a oblouky o nejmenším poloměru 700 m je vzdálenost os kolejí 4,10 m. Na
tratích s min. poloměrem 350 m je vzdálenost os kolejí 4,20 m a na tratích s min. poloměrem
250 m činí 4,30 m. Šířka pláně železničního spodku je tedy v přímé 10,10-10,30 m (dříve
9,20 m). Pláň bývá vodorovná, sedlaná, jednostranně sedlaná nebo lichoběžníková. Příčný
sklon 1:20 až 1:30 se upravuje pro lepší odvodnění pláně. Lichoběžníkový tvar pláně se užívá
-8-
v bývalých státech SSSR a v USA, kde je běžná úprava kolejového lože ve dvou vrstvách.
Spodní vrstva z písku nebo štěrkopísku, vrchní vrstva (0,1-0,2 m pod úložnou plochou
pražce) z drceného štěrku. Jednostranně sedlaná pláň vyhovuje pro práci těžkých strojních
čističek štěrkového lože. U dvojkolejových tratích se sedlání pláně provádí od středu pláně,
takže pod každou z kolejí je vlastně pláň sedlaná jednostranně. Pláň železničního spodku
v ČD je vodorovná na jednokolejových i na dvoukolejových tratích.
Tvar a rozměry tělesa
Příčný řez jednokolejnou tratí v přímém řezu v propustných zeminách je patrný na
obr. č. 1.1.1. Šířka pláně je 0,6 m, v oblouku s převýšením p větším jak 0,03 m se pláň na
vnější stranu rozšiřuje podle hodnot uvedených v tab. . Proti svahu terénu se zřizuje příkop,
oddělený od paty náspu lavičkou širokou 1,0 m se sklonem 5% do příkopu. Rostlý terén
lavičky chrání patu náspu před podemíláním vodou. Minimální hloubka příkopu je 0,5 m.
Železniční svršek, který tvoří vlastní vodící a nosnou dráhu železničních vozidel, se
skládá z kolejnic, pražců a štěrkového lože. Je to konstrukce, která má tvořit dokonalou jízdní
dráhu pro pohybující se železniční vozidla a bezpečně je vést a přenést veškerá statická a
dynamická zatížení vyvozovaná vozidly bezpečně do železničního spodku. Železniční svršek
je složen z opakujících se typizovaných částí spojených do dlouhých lineárních konstrukcíkolejnicových pásů. Jednotlivé části železničního svršku nesou charakteristické znaky svým
tvarovým, rozměrovým a konstrukčním uspořádáním i volbou použitého materiálu a jejich
souhrn se označuje jako soustava železničního svršku nesoucí jméno podle tvaru použité
kolejnice.
Kolejnicové pásy (kolejnice) jsou hlavními nosními prvky konstrukce tratě, které
prvotně přebírají a přenášejí složité silové účinky pohybujících se kolejových vozidel
(vlakových souprav) do konstrukce tratě. Prostřednictvím různých systémů jejich upevnění
k pražcům tvoří kolejnice spolu s podvaly kolejový rošt, který tvoří nosnou konstrukci
železniční tratě. Kolejové jařmo (obr. č. 1.1.2) je část koleje o délce jedné kolejnice
(zpravidla 6000 mm). Je tvořeno dvěmi kolejnicemi, osmi (nebo max. devíti) pražci,
upevňovadly a spojovacím materiálem.
Kolejový rošt je uložený-kotvený ve štěrkovém loži, které spočívá na pláni
železničního spodku, resp. na konstrukci železničního spodku.
-9-
Obr. č. 1.1.1: Příčný řez konstrukce tratě
Obr. č. 1.1.2: Kolejové jařmo
- 10 -
Obr. č. 1.1.3: Širokopatková (Vignolova) kolejnice
Pro normální provoz se postupným vývojem vytvořily typy kolejnic: širokopatkové ,
žlábkové a dvouhlavé.
Obr. č. 1.1.4: Dřevěný pražec
- 11 -
Ve vnitropodnikové dopravě se široce uplatňují širokopatkové (tzv. Vignolovy)
kolejnice (obr. č. 1.1.3). Tyto kolejnice jsou charakteristické hlavou, stojiny a patky. Hlava
kolejnice je mírně klenutá, aby tlak působící na kolejnici byl vždy centrální a namáhal stojinu
na ohyb. Kolejnice žlábkové (obr. č. 1.1.5) se používají převážně pro tramvaje, v kolejích
zřízených v silničních vozovkách a továrních halách. Jsou válcovány v několika tvarech a
různých šířkách žlábků-širší žlábek je používán u kolejnic kladených do oblouku. Kolejnice
dvouhlavé jsou dosud používány v Anglii a Francii. Tyto kolejnice vyžadují mohutné
stoličkové podkladnice pro připevnění k pražci. Byly válcovány souměrné se snahou, aby pro
ojetí hlavy se pouhým otočením dala pojíždět i hlava druhá.
Tvar průřezu kolejnice vychází z provozních podmínek (rychlost, nápravové tlaky,
množství přepravované zátěže, směrové a spádové poměry, apod.), z konstrukčního
uspořádání a podmínek hospodárného udržování svršku.
Pro úzkokolejné tratě se používají kolejnice xa nebo 115/24, na vedlejších tratích
kolejnice 115/24 nebo 93/18. Kolejnice 80/14 nalézají uplatnění především pro závěsnou
dopravu. Pro výpočet namáhání působící na kolejnici jsou důležité konstrukční a materiálové
parametry kolejnice, které jsou vyjádřeny v tab. 1.1.2.
Parametr
Výška kolejnice H [mm]
Šířka hlavy b [mm]
Šířka patky B [mm]
Moment setrvačnosti Jx [cm4]
Průřezový modul v ohybu Wx [cm3]
Měrná hmotnost
80 / 14
80
38
70
154
36, 9
14
Typ kolejnice
93 / 18
115 / 24
93
115
43
53
82
90
278
569
58, 1
100, 9
18, 3
24, 43
xa
125
58
110
925
145
35, 65
Tab. č. 1.1.2: Hlavní parametry typů kolejnic
Jednotlivé části kolejnic se opotřebovávají charakteristickým způsobem provozem a
korozí. Nejvíce se provozem opotřebovává hlava kolejnice, která je postupně ojížděna. Tvar
ojíždění závisí na směrových poměrech tratě, velikost ojíždění pak na intenzitě provozu.
V přímých úsecích je hlava ojížděna rovnoměrně výškově, v obloucích dochází kromě ojetí
výškového ještě k ojetí bočnímu.
Kolejnice se upevňují na své podpory pomocí upevňovadel, které zajišťují stálou
polohu kolejnice-mají zamezit jejich klopení a posuny na podpoře v podélném a příčném
směru a tím zajišťovat stálý rozchod kolejnice. Upevnění musí umožnit tuhé, ale i pružné
- 12 -
připevnění. Kolejnice se upevňuje na podporu buď přímo nebo prostřednictvím podkladnice,
která roznáší provozní tlaky a dynamické účinky na větší plochu a tím zmenšuje specifické
tlaky na podklad. Pro zajištění pružného uložení kolejnice se vkládá mezi její patu a podklad
či podkladnici pružná podložka z tvarované pryže či plastických hmot.
Systém upevnění má zaručit nejen stálost rozchodu koleje, ale popř. dovolit i jeho
změny bez narušení podkladů. Má být jednoduché, s nejmenším počtem součástí s možností
udržovacích zásahů. Pro širokopatkové kolejnice byly vyvinuty tři skupiny upevnění:
a) upevnění přímé, kde kolejnice přímo či s podkladnicí je připevněna k podkladu
společnými upevňovadly,
b) nepřímé, kde kolejnice je k podkladnicí připevněna jedním druhem upevňovadel a
podkladnice k podkladu dalším druhem upevňovadel,
c) smíšené, používající kombinace obou prvních způsobů.
Upevňovadla-hřeby a vrtule
Hřeby čtyřhranné se používají především pro svršek tvaru xa a starší tvary. Tlustší
část hlavy doléhá na patu kolejnice, proto je její přechod do dříku zaoblen podle tvaru paty
kolejnice. Druhá část hlavy hřebu je nižší, aby hřeb mohl být vytažen z pražce. S ohledem na
pracnost při zarážení hřebů a jejich menší držebnost ve dřevě pražce se u nás opustilo od
jejich používání.
Vrtule (obr. č. 1.1.5) se skládá z dříku se závitem, krčku a hlavy z kulové úseče,
přecházející do komolého jehlanu, sloužícího k nasazení zástrčkového klíče pro zatáčení
vrtule. Spodek hlavy vrtule je vytvořen dvojím způsobem. Slouží-li vrtule k přímému
připevnění kolejnice, je přechod mezi hlavou a krčkem přizpůsoben tvaru paty kolejnice.
Slouží-li vrtule pro připevňování podkladnici k pražci, pak krček přechází do hlavy kolmo,
aby byl zajištěn sytý dotek. Na komolém čtyřbokém jehlanu, sloužícím k nasazení hlavice
zatáčečky je ještě malý jehlan, který dříve sloužil jako kontrola k tomu, aby vrtule byla do
pražce zatažena a ne zarážena. Jelikož dosedací plocha kolejnice na pražec je malá a
kolejnice se zamačkávala do práce při růstu nápravových tlaků a rychlostí a zvláště
provozním zatížení, přestal tento způsob upevňování vyhovovat a začalo se používat
podkladnic.
- 13 -
Obr. č. 1.1.5: Různé typy a tvary kolejnic (nahoře) a příčný řez upevněním žlábkové kolejnice na
žebrové podkladnici pomocí pružných svěrech
Podkladnice
Konstrukční uspořádání podkladnic lze u kolejnic širokopatních rozdělit do tří typů:
a) pro přímé připevnění-klínová,
b) pro nepřímé připevnění-rozponová, žebrová,
c) pro smíšený způsob připevňování
Klínová podkladnice je ocelová deska s drážkou pro uložení kolejnice a otvory pro
upevňovadla, které jsou buď čtvercové nebo kruhové podle druhu upevňovadel. Úklon horní
plochy klínové podkladnice je 1: 20. Výhodou klínových podkladnic je jejich jednoduchost.
Nevýhodou je nemožnost změny rozchodu a přímý způsob připevnění kolejnic k pražci.
- 14 -
Jakmile dojde jen k nepatrnému zatlačení podkladnice do pražce, přestává být připevnění
syté a stabilita svršku se zhoršuje. Proto je u tohoto způsobu připevnění neustálé kontroly a
dotahování vrtulí či dorážení hřebů.
Rozponová podkladnice umožňuje nepřímé připevnění kolejnice k pražci, je
připevněna k pražci čtyřmi vrtulemi, kolejnice pak k podkladnici dvěma tuhými svěrkami,
aniž by bylo zapotřebí měnit upevnění podkladnice k pražci. Otvor pro svěrkové šrouby je
uzpůsoben tak, že šrouby lze vkládat do podkladnice seshora. Jejich poloha v otvoru proti
posunutí a pootočení je zajištěna vložením plechové vložky. Po připevnění podkladnice
k pražci se vloží na podkladnici kolejnice, zasunou se svěrkové šrouby, položí se svěrky mezi
patou kolejnice a podkladnici, navléknou se pružné kroužky na svěrkové šrouby a utáhnou se
jejich matice. Pro zajištění pružného připevnění jsou důležité pružné kroužky, které se
vkládají i při montáži podkladnice pod hlavy vrtulí. Ze stejného důvodu se pod podkladnici a
pod patu kolejnice vkládá pryžová rýhová podložka. Tím je zaručeno pružné připevnění
kolejnice při zatížení kolejnice i při jejím pohybu vzhůru, kdy sleduje ohybovou čáru.
Výhodou rozponové podkladnice je nepřímé připevnění kolejnice k pražci a možnost
regulace rozchodu.
Žebrová podkladnice (obr. č. 1.1.6) je používána u velké řady železničních správ
v Evropě. Tato podkladnice umožňuje nepřímé připevnění kolejnice k pražci. Podkladnice ke
připevněna k pražci čtyřmi vrtulemi. Kolejnice k podkladnici pak pomocí zvonovitých
tuhých svěrek a svěrkových šroubů, které se zasouvají do vyfrézovaných otvorů v žebrech.
Pod hlavou vrtulí a pod matice svěrkových šroubů se vkládají pružné dvojité kroužky. Pod
patu kolejnice pak pryžová podložka, aby se docílilo pružného připevnění kolejnice. Žebra na
podkladnici mají vzdálenost rovnou šířce paty kolejnice, takže tato podkladnice neumožňuje
změnu rozchodu. Předností žebrové podkladnice je její dokonalé přichycení kolejnice a
snadnější montáž.
Hákové podkladnice jsou typem smíšeného připevnění-podkladnice drží jednu stranu
paty kolejnice hákem, pod který je pata zasunuta, druhá strana paty je připevněna hřebem,
vrtulí nebo svěrkou.
- 15 -
Obr. č. 1.1:6: Připevnění žebrové podkladnice (vlevo) k pražci čtyřmi vrtulemi. Kolejnice k podkladnici
je připevněna pomocí zvonovitých tuhých svěrek (vpravo) a svěrkových šroubů.
Kolejové styky
Kolejový styk je spojení dvou sousedních kolejnic v koleji, které jsou přerušeny
dilatační spárou. Kolejnice jsou spojovány pomocí spojek, které jsou vklíněny mezi spodní
část hlav a horní část paty a jsou spojeny spojkovými šrouby. Styky mají nahradit únosnost
kolejnicového nosníku, přerušeného spárou a zaručit plynulost pohybu po obou kolejnicích.
Podle vzájemné polohy v koleji jsou styky: vstříčné, vystřídané a neuspořádané. Běžně se
užívá styků vstříčných, které soustřeďují rázy do jednoho místa a usnadňují strojní kladení
kolejových polí.
Spojky
Pro převislé styky se používá spojek úhlových nebo dvojúhlových, které mají velký
moment setrvačnosti a lépe přenášejí tlaky vyvozované pohybujícími se vozidly. Potřebují
opracování, protože nad pražcem musí být část spojky odstraněna. Proto se používají stále
častěji jednoduchých spojek plochých zvláště pro styky můstkové a podporované. U
vysokých a těžkých kolejnic, které mají přechod ze stojiny do hlavy a paty kolejnic proveden
oblouky o větších poloměrech, jsou pak spojky více vzdáleny od stojny kolejnice, proto zde
vzniká velká vodorovná síla, jejíž přenesení vyžaduje mohutný spojkový šroub. Spojky se
nemají dotýkat stojiny kolejnice, aby statické poměry při přenášení nápravových tlaků
spojkami byly jasné a aby nemohlo dojít k lomu kolejnice či spojky při rázech na styku.
- 16 -
Otvory pro spojkové šrouby a ve stojině kolejnice jsou větší než průměr dříku spojovaného
šroubu, aby bylo umožněno dilatování kolejnice. Proto také nesmí být spojkové šrouby
dotaženy pevně. Tření an stykových plochách kolejnice a spojek brzdí posun konců kolejnic,
nemá mu však zcela zabránit.
Pražce
Pražců je zapotřebí v konstrukci železničního svršku k vytvoření kolejového roštu,
který vznikne připevněním kolejnic, k zajištění stálého rozchodu koleje a k roznášení
nápravových tlaků od pohybujících se vozidel do štěrkového lože a na pláň železničního
spodku. Nejrozšířenějším typem pražců jsou příčné, ve zvláštních případech se používají
pražce podélné nebo ojediněle podpory. Podle materiálu dělíme příčné pražce na dřevěné,
ocelové a betonové. Dřevěné pražce (obr. č. 1.1.4) jsou pražci klasickými, protože ještě
donedávna splňovaly požadavky na ně kladené-snadná výroba, dokonalé připevnění kolejnic,
snadný způsob připevňování kolejnice na pražec, dostatečná pevnost, pružnost a měkká jízda,
dostatečně velká dosedací plocha na pražec, dostatečný odpor proti podélným a příčným
posuvům v kolejovém loži, dostatečná držebnost upevňovadel, malé pořizovací náklady,
dostatečná doba služebnosti, apod.
Tvarově se používají pražce hraněné a povalové, což je dáno nutností použít k jejich
výrobě i kmenů menších průměrů. Horní úložná plocha pražce má být dostatečně široká, aby
se na ni dala dobře uložit podkladnice. Dolní ložná plocha o dostatečné šířce zaručuje dobré
podbíjení pražce i to, aby tlaky, předávané kolejovému loži byly přiměřené. Délka pražců se
volí taková, aby se prohnutím pražce pod zatížením nezměnil úklon a tím i rozchod kolejnic.
Ocelové pražce se používají u některých železničních správ, převážně jako pražců
výhybkových. Ocelové pražce se válcují z ocelí pevností 370 až 500 MPa o průřezu
korýtkového tvaru.
Pražce betonové jsou dnes hojně používané zvláště z předepjatého betonu, protože
mají vlastnosti rovnocennou konstrukci pražci dřevěnému a některé vlastnosti jej předčí. Na
tratích s rychlostmi až do 100 km/h a nápravovými silami 24 kN, byl u nás v minulosti
vyvinut dvouslokový pražec se střední spojovací ocelovou tyčí.
Pražec je konstrukce velmi dynamicky namáhána, proto u betonových pražců
- 17 -
s klasickou výztuží vznikají v místech namáhaných dynamickými účinky na tah trhlinky,
které se provozem postupně rozšiřují a narušují celistvost pražce. Při dostatečném předpětí se
při užitečném zatížení nevyskytuje v žádné části průřezu pražce tah a proto nevzniknou ani
trhlinky v betonu. Předpětím ocelové výztuže se zvýší i trvanlivost pražců nejen tím, že se
zabraňuje korozi výztuže, ale také z hlediska únavy materiálu. Při opakovaném zatížení tu
dochází ke změně napětí jen v jednom smyslu, tlaku nikoliv ke střídání tahu a tlaku. Výpočet
pražce se realizuje podle následujících vztahů (1.1.17-1.1.24).
Výhybky a železniční zhlaví
Výhybky (obr.č. 1.1.7) umožňují nepřerušovaný plynulý přechod z jedné koleje na
kolej sousední. Během vývoje železnic byla zkonstruována velká řada výhybek. Od roku
1972 se ale používají výhybky jednoduché
a křižovatkové. Podle traťové rychlosti se
výhybky odbočují ve směru daném tangentou. Z těchto jednoduchých výhybek se skládají
výhybky další, jak v přímém směru, tak v obloucích. Podle směru odbočení z hlavního směru
jsou dále výhybky levé a pravé, ve výkresech jsou označovány tmavou polovičkou symbolu
výměníku. Označení výhybek se řídí podle následujícího klíče:
4 - J - xa – 1 : 9 / 300 –L1 d
V tomto případě se jedná o výhybku v pořadí čtvrtou, jednoduchou z kolejnic xa,
odbočení probíhá v úhlu 1:9, poloměr následujícího oblouku je umístěn na levé straně a
pražce jsou dřevěné.
Obr. č. 1.1.7: Kolejový plán, včetně vytyčovacího
schématu výhybky
- 18 -
Výhybka se skládá ze tří částí: z výměny, srdcovky (obr. č. 1.1.7) a kusu kolejnic
(přímých a obloukových) mezi výměnou a srdcovkou. Jednoduchá výhybka může být
konstruována tak, že za výměnovým obloukem je nasazena přímá (výhybka má přímou
srdcovku) nebo je za výměnový blok nasazen další oblouk (zpravidla o menším poloměru).
Jednotlivé díly výhybky jsou spojeny v jeden celek rozchodnicemi. K výhybce náleží také
výhybková skříň se stavěcím zařízením. Kolejové konstrukce výhybek se konstruují
z typizovaných výměn nebo z typizovaných výhybkových jednotek. Moderní typy výhybek
užívají výměny a kloitodickou částí napojenou na kružnicový oblouk nebo na složený
kružnicový oblouk (tzv. přechodnicový tvar výměny). Užívají se také výměny ve tvaru
kružnicového oblouku (tzv. kruhový tvar výměny). Dříve se užívaly výměny s čepovým
upevněním jazyka. Dnes se vyrábějí vesměs výměny s pružnými jazyky. Výhybky se ukládají
na dřevěné pražce, na betonové pražce a betonové výhybkové pražce. Výhybky je také
možno ukládat na betonové panely.
Obr. č. 1.1.8: Konstrukce výměny a) čepové, b) pružné
Výhybková výměna
Výhybková výměna se sestává z části pevné a z části pohyblivé. Část pevnou tvoří
pojízdná (hlavní) kolejnice, opornice a litinové vložky (u výměny čepové). Pohyblivá část
výměny je tvořena jazykem (hrotnicí) a stavěcím zařízením. Jazyk výměny může být čepový
nebo pružný. U čepové konstrukce výměny (obr. č. 1.1.8 a) vytváří prodloužení jazyka
koncová kolejnice, která je pomocí šroubů a vložek spojena s protilehlým koncem opornice.
Jazyk výměny, uložený v lůžku výměny na litinových vložkách (nebo ocelovém kluzném
plechu), je upevněn pomocí čepů o průměru 50 mm. Jazyky jsou spojeny táhlem, které je
uloženo ve výhybkové (stavěcí) skříni. U výměny s pružným jazykem (obr. č. 1.1.8b) je
pružný jazyk vytvořen z opracovaného ocelolitinového odlitku.
- 19 -
Srdcovka
Srdcovky (obr. č. 1.1.7) se zhotovují buď skládané z jednotlivých kusů kolejnic nebo
se používá opracovaných odlitků z ocelolitiny. Skládaná srdcovka je vytvořena ze tří kusů
kolejnic. Průběžná kolejnice zajišťuje jeden směr, zatímco druhý směr je zajištěn dvěma kusy
kolejnic, které jsou těsně přisazeny k průběžné kolejnici. Jednotlivé kusy kolejnic jsou
spojeny stykovými spojkami a šesti až osmi spojkovými šrouby. Spojky jsou ještě přivařeny
ke kolejnicím. Dále je srdcovka vyztužena podkladným plechem přivařených vložkami.
V úrovni hlav kolejnic je do ostrého úhlu přivařen rýhovaný plech. V provozu dochází u
skládaných srdcovek k rychlému opotřebení a srdcovky musí být často vyměňovány.
Výhodnější je proto použít k vytvoření srdcovky ocelolitinového bloku o výšce 180 mm, ve
kterém se vybrousí nebo vyfrézují měkké žlábky k proniku obou směrů.
Výhybkové zhlaví
Pod pojmem výhybkové zhlaví se rozumí rozvětvení koleje do koleji dalších, které
jsou navzájem rovnoběžné. Vytváří se tak kolejiště v nádražích nebo dopravnách. Nejčastěji
zhlavími jsou matečná kolej a stromkové zhlaví. Matečná kolej je tradičním zhlavím. Jedná
se v podstatě o odkloněný úsek koleje, k němuž jsou přímo připojeny paralelní koleje
kolejiště. Toto řešení je dnes opouštěno, protože obsahuje příliš dlouhé úseky kolejí, které
nemohou být pro manipulaci s nákladem využity.
Stromková zhlaví jsou ekonomičtější, protože zajistí zmnožení kolejí na kratším
úseku. Ztrátové úseky kolejí jsou tedy výrazně menší.
Geometrické uspořádání kolejové trati
Rozchod koleje a jeho rozšíření
Rozchod je definován jako vzájemná vzdálenost pojížděných hran pravého a levého
kolejnicového pásu koleje, měřená pod temenem kolejnice v různé hloubce podle tvaru
kolejnic.Rozšíření rozchodu lze navrhnout jen v obloucích s poloměrem 50 m nebo menším.
Rozšíření nesmí být větší než 5 mm a má mít plnou hodnotu v celé délce oblouku.
V obloucích kolejových rozvětvení a křížení se rozšíření zpravidla neprovádí.
- 20 -
Převýšení koleje
Převýšení může být teoretické, snížené nebo nejmenší a lze jej navrhnout v hodnotách
(u rozchodu 1435) od 20 do 150 mm. Převýšení teoretické je převýšení, které při konstantní
rychlosti odstraňuje účinek odstředivé síly působící na kolejové vozidlo. Zřizuje se všude
v obloucích, kde lze předpokládat jízdu všech vlakových souprav téměř stejnou rychlostí.
Převýšení teoretické se určí podle vzorce (pro rozchod 1435 mm):
11,5.v 2
pt =
− 150.an
R
[mm]
(1.1.5),
kde
v-rychlost [km.h-1],
R-poloměr kružnicového oblouku [m],
an-nevyrovnané příčné zrychlení v rozmezí 0,0 až 0,2 [m.s-2].
Převýšení snížené je převýšení menší než teoretické a použije se tehdy, není-li účelné
nebo nelze-li zřídit převýšení teoretické. Je-li u tratí v jízdním pásu nebo pruhu, kde
teoretické převýšení by narušilo příčný profil vozovky, ve stísněných poměrech a v místech,
kde nelze předpokládat jízdy stejnou rychlostí. Převýšení snížené se určí podle vzorce (pro
rozchod 1435 mm):
ps =
11,5.v 2
− 150.an
R
[mm]
(1.1.6),
kde
v-rychlost [km.h-1],
R-poloměr kružnicového oblouku [m],
an-nevyrovnané příčné zrychlení do 0,2 až 0,8 [m.s-2].
Nejmenší převýšení je převýšení snížené, u kterého hodnota nevyrovnaného příčného
zrychlení stoupla na hodnotu an=0,8 m.s-2.
Vzestupnice
Vzestupnice tvoří plynulý výškový přechod mezi kolejnicí nepřevýšenou a kolejnicí
převýšenou. Vzestupnice se zřizuje v kolejnicovém pásu, jehož poloha je vůči druhému pásu
téže koleje zvýšena. Vzestupnice má v celé délce jednotný sklon určený poloměrem 1:n.
Začátek a konec vzestupnice se zaobluje výškovým obloukem. Součinitel a, určující sklon
vzestupnice má mít hodnotu alespoň 5.v, nejméně však 150 (pro rychlosti v<30 km.h-1). Mezi
přímým úsekem koleje a obloukem s převýšením se vytváří vzestupnice krajní a ve složeném
oblouku s rozdílnými hodnotami převýšení se vytváří vzestupnice mezilehlá.
- 21 -
Délka krajní vzestupnice směrového oblouku bez přechodnice se určí podle vzorce:
lv =
n.p
1000
[m]
(1.1.7),
kde
p je převýšení [mm].
Na začátku směrového oblouku má vzestupnice dosáhnout stanovené hodnoty
převýšení. Délka přechodnice u oblouku s převýšením se zpravidla rovná délce vzestupnice a
začátek přechodnice je totožný se začátkem vzestupnic (předchozí vzorec).
U oblouku bez převýšení lze upustit od přechodnice, je-li:
R≤
v3
40.R
,pak
L=
v3
40.R
[m]
(1.1.8)
[m]
(1.1.9),
Je-li délka přechodnice kratší než
L = 0,72 R
pak se prodlouží se na tuto délku.
Délka mezilehlé přechodnice mezi oblouky bez převýšení se určí podle vzorce:
L=
v3
40.Rx
[m]
(1.1.10),
[m]
(1.1.11),
kde
Rx =
R1.R2
R1 − R2
pro R1<R2
Je-li délka mezilehlé přechodnice podle předchozího vzorce kratší než
L = 0,72 Rx
[m]
pak se prodlouží na tuto délku.
- 22 -
(1.1.12),
Délka mezilehlé přechodnice mezi oblouky s převýšením se rovná délce mezilehlé
vzestupnice
L=
n.( p1 − p2 )
1000
[m]
(1.1.13),
a začátek mezilehlé přechodnice je totožný se začátkem mezilehlé vzestupnice.
Směrové kružnicové oblouky
Směrové kružnicové oblouky se navrhují s co největším poloměrem, jehož velikost
musí odpovídat stanovené návrhové rychlosti trati nebo úseku trati. Oblouky, zejména
s malým středovým úhlem, mají mít tak velký poloměr zakřivení, aby se nemuselo zřizovat
převýšení. Poloměr oblouku má být alespoň 300 m, mimořádně 100 m. Při rekonstrukcích, na
křižovatkách a na dočasných přeložkách lze ve zdůvodněných
případech použít poloměru
menšího, nejméně však 20 m. Na obratištích, ve vozech nebo kolejích, které neslouží veřejné
hromadné dopravě, lze užít poloměru menšího než 25 m, nejméně však 20 m.
Velikost poloměru oblouku s převýšením se určí z návrhové rychlosti trati nebo
úseku trati, je-li dáno převýšení (pro rozchod 1435 mm). Při největší přípustné hodnotě
převýšení 150 mm u rozchodu 1435 mm se stanoví velikost poloměru oblouku (pt=150 mm)
R = 0,0767.v 2
[m]
(1.1.14),
[km.h-1]
(1.1.15).
kde
rychlost se stanoví ze vztahu
v = 3,61. R
Nejmenší velikost poloměru oblouku bez převýšení se určí z návrhové rychlosti trati
(nebo úseku trati) podle vzorce (pt=0)
R = 0,23.v 2
[m]
(1.1.16)
[km.h-1]
(1.1.17).
a rychlost se stanoví ze vztahu
v = 2,09. R
- 23 -
Délka oblouku s převýšením se navrhuje alespoň v délce v/4, nejméně 6 m. Délka
oblouku bez převýšení se navrhuje alespoň v délce v/4, nejméně však 4 m. Mimořádně lze
navrhnout přechodnicový oblouk, kde mezi dvěma krajními přechodnicemi kružnicový
oblouk zcela zanikne. Je-li to z technických důvodů nutné, lze ve výhybkách, kolejových
křižovatkách, kolejových rozvětvených a ve vozovnách navrhnout kratší délky oblouků.
Oblouk výhybky se posuzuje jako oblouk příslušného poloměru.
Sklon kolejí
Podélný sklon nové projektové kolejové trati nesmí být větší než 70 0 / 00 . Větší sklon,
nejvýše však 90
0
/ 00 je dovoleno ponechat jen u stávajících tratí. Koleje, kde budou
odstavovány vozy se navrhují vodorovné nejvýše ve sklonu 2,5
0
/ 00 . Před konečnou
zastávkou, která klesá do traťového úseku ve sklonu větším než 2,5 0 / 00 , je vhodné navrhnout
dostatečně dlouhý protisklo. Na tratích s krytem je vhodné navrhnout místo vodorovných
úseků podélný sklon 3 až 5 0 / 00 , aby byl zajištěn plynulý odtok dešťové vody.
V teoretické a experimentální analýze konstrukce tratě, statických a dynamických
výpočtů, resp. pro úlohy mechaniky tratě je výhodné rozčlenit konstrukce prvků tratě na:
ƒ
ƒ
kolejový rošt složený z kolejnic, upevnění a pražců,
pražcové podloží tvořené štěrkovým lůžkem, podkladových vrstev a zemního
tělesa.
Kolejnicový pás jako nosný prvek konstrukce tratě se teoreticky i experimentálně
vyšetřuje na silové účinky od kola kolejového vozidla jako:
a) Kolejnice jako prvek kolejového roštu a analogickými pružnými vazbami mezi
kolejovými pásy a pražci a s vazbou na pražcové podloží v prostorovém uspořádání.
b) Samostatný konstrukční prvek, který je potřeba uvažovat ve vazbě s pražci a
pražcovému podloží. Vazby jsou modelovány pružnými a tlumícími prvky mezi kolejnicí a
pražcem (vazby pružného systému upevnění kolejnice) a vazby mezi pražci a podložím, které
představují pružné a tlumící vlastnosti pražcového podloží jako pružného poloprostoru nebo
povrchových modelů.
- 24 -
Teoretická analýza silových účinků na kolejnici, resp. kolejový rošt se využívá zejména při:
ƒ
ƒ
ƒ
posuzování namáhání a únosnosti kolejnic,
hodnocení pružného přetvoření kolejnice v zatíženém stavu,
hodnocení kumulace poškození při opakovaném zatěžovaní tratě.
Výpočetní model kolejnicového pásu vertikálně zatíženého (rovinná úloha)
představoval ještě donedávna jediný výpočtový model železniční tratě. V takto formulované
úloze se zatížení, vnitřní síly a průhyby vyšetřují ve vertikální rovině kolejnice jako odezva
od účinku soustavy kolových sil, ve které se na různým stupni přesnosti modelují i
mechanické vlastnosti pružných a tlumících vazeb a to ve třech oddílech:
ƒ
ƒ
ƒ
pružné upevnění kolejnic ke kolejovým podpěrám,
kolejové podpěry,
štěrkové lože a pražcové podloží.
Charakteristiky pružných a tlumících vazeb vystupují ve výpočtech jako základní
vstupy řešení, přičemž se získávají jako experimentálním vyšetřováním v laboratorních
podmínkách nebo měřením přímo v konstrukci trati.
Teoretická analýza kolejnice se obyčejně aplikuje odděleně pro vertikální a
horizontální silové účinky. Vzhledem na dominantní vertikální silové účinky, jsou zpravidla
teoretické analýzy a řešení soustředěné na vertikální silové účinky.
1.2 Základní výpočet kolejové trati
Výpočet únosnosti železničního svršku
Složitost namáhání železničního svršku pod jedoucími vozidly a z toho vyplývající
obtížný výpočet a dimenzování jednotlivých částí železničního svršku i svršku jako celku.
Zjednodušený výpočet kolejnice, která je namáhána komplikovanými statickými a především
dynamickými silami (vzhledem na vyskytující se rázy ve spojích, rozjezd a brzdění, apod.) se
nejjednodušeji provádí podle Winklera.
Výpočet podle Winklera
Při výpočtu kolejnice na příčných pražcích uvažuje Winkler kolejnici jako nekonečně
dlouhý spojitý nosník stálého průřezu na osamělých, stejně od sebe vzdálených podporáchpražcích, které zůstávají i ve stavu zatíženém ve vzájemné výši, což odpovídá v podstatě
nepružnému podkladu koleje. Tomuto předpokladu, který platí pouze beze zbytku pro hmoty,
které se chovají podle Hookova zákona, odpovídají hmoty podloží jenom v omezené míře.
Převážná většina výpočtů svršku jej však přejímá.
- 25 -
Dynamické ohybové namáhání podle Winklera se pak určí podle vztahu:
σo =
M o max
≤ σ oDOV =135 MPa
Wx .k D
[MPa]
(1.2.1),
kde
Wx je průřezový modul v ohybu [m3] z tab. č. 1.1.2.
Momax je maximální ohybový moment od kolové síly Fk [N] v polovině rozteče pražců
b [m], tedy:
Momax= 0, 1888.Fk. b
[N.m]
(1.2.2),
Tento moment je o 0,7 % větší než aritmetický průměr největších ohybových
momentů nosníků prostého a oboustranně dokonale vetknutého o stejném rozpětí a při
zatížení břemenem Fk uprostřed. Účinek jedoucího vozidla na kolejnici počítá Winkler
z tlaku kola zvýšeného o odstředivou sílu vyvolanou tím, že kolo pojíždí po zakřivené dráze,
odpovídající čáře průhybu.
Protože křivost ohybové čáry pod kolem lze vyjádřit výrazem:
1
ρ
=
M o max
E.J
[m-1]
(1.2.3),
[N]
(1.2.4),
bude odstředivá síla:
m.v 2
Fk .M max .v 2
Fc =
=
ρ
E.J x .g
a tudíž dynamický ohybový moment bude zvětšen o tuto hodnotu odstředivé síly:
dyn
M max
= 0,188.( Fk + Fc ).b
[N.m]
(1.2.5),
[N.m]
(1.2.6),
[-]
(1.2.7).
po dosazení za Fc a úpravě:
dyn
M max
=
M max
v 2 .Fk .b
1 − 0,00188
E.J x .g
= k D .M max
kD je dynamický součinitel daný vztahem:
k D = 1 − 7.10 −7.
Fk .b.v 2
Jx
- 26 -
Ve vztahu (1.2.7) je nutno vyjádřit uvedené veličiny v základních, ale také v
odvozených jednotkách a to Fk [N], b [m], v [km.h-1] a Jx [cm4] (tab. č. 1.1.2).
Kolová síla Fk je kontaktní síla mezi kolem lokomotivy a kolejí a je dána vztahem:
Fk =
mL .g
.k N
nk
[-]
(1.2.8),
kde
mL je maximální hmotnost lokomotivy [kg],
nk počet kol lokomotivy [-],
kN je součinitel nerovnoměrnosti dopravy [-] (obvykle kN=1,1).
Výpočet podle Zimmermanna
Zimmermann uvažuje kolejnici jako nekonečný dlouhý nosník stálého průřezu,
uložený na osamělých, pružně poddajných, navzájem stejně vzdálených podporách. Snížení
podpor považuje jako Winkler za přímo úměrné podporovým tlakům. Ohybový moment
odvozuje za spojitého nosníku o třech polích, zatíženého jedním osamělým břemenem.
Výsledný vzorec pro ohybový moment má jednoduchý tvar:
M max =
8.γ + 7 Fk .b
.
4.γ + 10 0,4
[N.m]
(1.2.9),
Zimmermannova způsobu výpočtu používají některé železniční správy, zvláště
v Německu. Pro výpočet napětí při pohyblivém zatížení má dynamický součinitel hodnotu:
kD = 1 +
v2
30000
[-]
(1.2.10),
Výpočet podle Timošenka
Timošenko uvažuje kolejnici na příčných pražcích jako nosník neomezené délky a
stálého průřezu spočívající na souvislém pružném podkladě. Čára průhybu nosníku na
souvislém pružném podkladě a nosníku na pružně poddajných ojedinělých podporách se totiž
navzájem blíží se zmenšující se vzdáleností ojedinělých podpor. Předpoklad souvislého
pružného podkladu je proto tím oprávněnější, čím jsou průhyby od popuštění podpor větší
než průhyby kolejnice mezi podporami, tj. čím menší je vzdálenost sousedních pražců.
- 27 -
Podle této teorie, je brán v úvahu ne pouze kolejový tlak od lokomotivy (viz. výpočet
podle Winklera), ale také i další kolejové tlaky od ostatních tažených vozidel. Přesnější
výpočet umožnil snížení dovoleného ohybového momentu. Ohybové napětí podle Timošenka
je dáno:
Mo
≤ σ oDOV =80 MPa
Wx .k D
σo =
[MPa]
(1.2.11),
kde ohybový moment Mo bere vliv i ostatních účinků na samotné kolejové těleso
vyjádřené vztahem:
n
∑ F .κ
Mo =
i
i =1
i
[N.m]
4.k
(1.2.12),
n
kde
∑ F .κ
i =1
i
i
je součet sil vyvozených od účinku prvého kontaktu kolejového tělesa
s kolem lokomotivy. Jak tyto momenty, tak i průhyby se modelují pomocí komplikovaných
funkcí zachycených do součinitelů κi a ηi podle:
κ i = e − k . x .(cos k .xi − sin k .xi )
i
[-]
ηi = e −k . x .(cos k .xi + sin k .xi )
(1.2.13),
i
kde Fi (1.1.8) je kontaktní síla [N] v místě i a xi je rameno kontaktní síly Fi
v uvažovaném místě od prvního kontaktu (viz. obr. č. 1.2.1).
Průhyb trati je taktéž modelován postupným zatěžováním (obr. č. 1.2.1) a součtem
jednotlivých účinků, tj.:
n
∑ Fi .ηi
y = k . i =1
[m]
2u
- 28 -
(1.1.14),
Z rovnice pro první kontaktní místo (viz. rov.1.2.13) platí x1=0 ⇒ κ1=1, pak pro
x2=rvL(rozvor kol lokomotivy) ⇒ κ2≤0≥, pro hodnotu κ2≤0 se hodnota κ1 zvětší o 9%, tj.
κ1=1,09 a dále se nepostupuje. Pro hodnotu κ2≥0 se postupuje tak dlouho, až κi≤0, pak
κi-1=1,09 a opět se dále nepostupuje.
Obr. č. 1.2.1: Výpočet soustavy podle Timošenka
k je charakteristika soustavy vyjádřená vztahem:
1
⎛ u ⎞4
⎟⎟
k = ⎜⎜
⎝ 4.E.J x ⎠
[m-1]
(1.2.15),
odtud
u je charakteristika pružnosti kolejového lože, E-modul pružnosti v tahu pro
kolejové těleso (ocel E=2,1.1011 Pa) a Jx osový modul pružnosti (viz tab. č. 1.1.2).
u=
C.kα .l.b2
2.b
[Pa]
(1.2.16), kde
C-součinitel ložnosti (obvykle C=60-70 N.cm-3) [N.m-3],
kα-součinitel průhybu pražce (obvykle kα=0,8),
l-délka pražce [m], b2- rozměr pražce (obr. č. 1.1.4) [m], b-rozteč pražců [m].
Vlivem opotřebení kolejového lože dochází obvykle ke snížení průřezového modulu v ohybu
Wx (viz tab. č. 1.1.1) a zvětšení charakteristiky soustavy k.
- 29 -
Výpočet pražců
Pražec je zatížen kolejovými tlaky Fk, které působí na kolejové tělesa. Tyto kolejové
tlaky se obvykle vyjadřují silou Fp, která simuluje vlivy soustavy a vyjadřuje se podle
Hofmana (viz. dále).
Obr. č. 1.2.2: Výpočet pražce
Předpokládáme-li spojité zatížení pražce, pak tento účinek se spojitě rozloží na
pražec (obr. č. 1.2.2) a velikost tohoto spojitého zatížení q1 je definováno:
2 Fp = q1.l
[N]
(1.2.17),
Nad podporou se vyskytuje moment Mo1, který namáhá pražec ohybovým napětím:
M o1 =
q1 2
l2
.l1 = Fp 1
2
l
[N.m]
(1.2.18)
a maximální moment Mo2 nacházejí se v polovičce délky pražce l je dán:
⎛l s⎞
M o 2 = Fp ⎜ − ⎟
⎝4 2⎠
[N.m]
- 30 -
(1.2.19),
kde síla Fp podle Hofmanna z kolejového tlaku (síly) Fp:
Fp =
4γ + 1
Fk
8γ + 1
[N.m]
(1.2.20),
odkud γ je definováno poměrem tuhosti kolejnice B a tuhostí pražce D:
γ=
B
D
[-]
(1.2.21),
kde tuhost kolejnice je dána poměrem součinu modulu pružnosti v tahu kolejnice E
(pro ocel E=2,1.1011 Pa) a osovému momentu setrvačnosti Jx (tab. č. 1.1.2), a vzdáleností
pražců b (obr. č. 1.1.2) :
B=
6 EJ x
b3
[N.m-1]
(1.2.22)
Tuhost dřevěného pražce D (obr. č. 1.1.4) je určena vztahem:
D = 2C.
b1 + b2
.l1
2
[N.m-1]
(1.2.23),
[MPa]
(1.2.24),
odkud rozměry pražce vyplývají z obr. č. 1.1.4.
Kontrola pražce:
σo =
M o max M o1 nebo M o 2
=
≤ σ o dov = 4 MPa
Wx .kα
Wx .kα
kde
1
Wx pro čtvercový průřez pražce (obr. č. 1.1.4) je Wx = b13 a kα je průřezový
6
součinitel.
Kontrola měrného tlaku na kolejové lože:
p=
2.Fp
l.b2 .kα
≤ pDov = 3,3 MPa
[MPa]
- 31 -
(1.2.25)
1.3 Kolejová vozidla
Mezi nejdůležitější tažné kolejové vozidla určená pro tažení přípojných vozů ve vlaků
patří lokomotivy, které lze rozdělit podle přívodu energie na závislá (vozidla elektrické
trakce), polozávislá (akumulátorová a setrvačníková) a nezávislá (parní a motorová trakce).
Dříve byl nejčastějším pohonem lokomotiv parní stroj, ale vývoj požadovalo
rozšiřování železniční dopravy po celém světě. Požadavky vyšších výkonů i rychlostí jízdy
podpořilo použití spalovacích motorů, turbín a elektrických motorů.
Charakteristickým vyjádřením provozní schopnosti hnacího vozidla je pak trakční
charakteristika, ve které znázorňují křivky uvedenou závislost F=f(v)(viz. kap. 1.5).
ELEKTRICKÁ TRAKCE
Provoz elektrických vozidel je závislý na kontaktním přívodu na vozidlo. Rozvod
trakčního proudu se provádí vrchním nebo spodním vedením, izolovaným od země a
zpětným vedením obvykle kolejnicemi. Zásobování trakčního vedení zajišťují napájecí
stanice a podle druhu proudové soustavy pak trakční transformovny,
měnírny, spínací
stanice apod.
Na lokomotivách elektrické trakce musí být zařízení k odběru proudu z přívodního
vedení a zařízení k přeměně elektrické energie na mechanickou práci. Mimo toto elektrické
trakční zařízení jsou na vozidlech i pomocná zařízení pro chlazení některých strojů, na
výrobu stlačeného vzduchu, na topení vlaku, apod. Zařízení trakční i pomocná označujeme
jako elektrickou výzbroj vozidel.
Zavádění elektrického provozu umožňuje zvyšovat dopravní výkonnost tratí, jízdní
rychlosti vlaků, dopravní hmotnosti vlaků i hospodárnost jejich provozu na dopravně silně
zatížených tratích. Zvyšuje se akční rádius vozidel. K nevýhodám patří velké investiční
náklady na pevná trakční zařízení, závislost provozu na dodávkách elektrického proudu,
velká zranitelnost trakčního vedení, vyšší pořizovací cena vozidel a jejich údržby a vyšší
kvalifikační nároky na obsluhující a údržbářský personál.
- 32 -
Rozdělení vozidel elektrické trakce
Základním hlediskem pro rozdělení lokomotiv v elektrické trakci je druh proudové soustavy.
V kolejové dopravě používáme proudové soustavy:
-
jednosměrnou- s napětím v troleji 250, 600, 750, 900, 1200, 1500, 3000 a 6000 V,
střídavou jednofázovou- s normálním kmitočtem 50 Hz a napětím v troleji 6, 10,
15, 20 a 25 kV; se zvýšeným kmitočtem 60 Hz a napětím v troleji 20, 25 a 30 kV;
se sníženým kmitočtem 16 Hz (třetinový) nebo 25 kV,
střídavou trojfázovou- se sníženým kmitočtem 16 Hz a napětím 3,6 kV.
Pro jednotlivé proudové soustavy lze rozdělit druhy elektrických hnacích vozidel na:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
stejnosměrné-proud je přiváděný jednoduchým vodičem, trakční motory jsou pro
přiváděné nebo dílčí napětí,
jednofázové-přívod proudu jednofázovým jednoduchým vedením. Na lokomotivě
se provádí transformace na nižší napětí pro jednofázové kolektorové motory,
trojfázové-přívod proudu zdvojeným vedením, příp. transformace na lokomotivě.
Motory jsou trojfázové, indukční, kroužkové nebo s kotvou nakrátko.
měničovéjednofázové-jednofázové-přívod proudu jednoduchým vodičem, motory
jednofázové,
jednofázové-stejnosměrné-přívod jednofázového proudu jednoduchým vodičem.
Transformace na nižší napětí n lokomotiv. Proud napájí synchronizovaný
jednofázový stejnosměrný motor generátor. Vyrobený stejnosměrný proud pohání
trakční motor,
jednofázové s usměrňovačem- přívod jednofázového proudu jednoduchým
vodičem, transformace a usměrnění na lokomotivě, motory stejnosměrné,
jednofázové-trojfázové- přívod jednofázového proudu jednoduchým vodičem,
transformace a změna na trojfázový proud měničem počtu fází na lokomotivě.
Motory jsou trojfázové indukční, kroužkové nebo s kotvou nakrátko.
Zvláštní skupinu vozidel elektrické trakce polozávislé tvoří akumulátorová vozidla,
jež získávají proud pro trakční motory z akumulátorových baterií na vozidle, které je však
nutné po určitém traťovém výkonu dobíjet. Nevýhodou je velká hmotnost přepravovaných
akumulátorů.
Podle přívodu proudu lze trakční vozidla rozdělit na:
- horní trolejí
- boční trolejí,
- střední nebo boční kolejnicí, apod.
Rozlišovacím znakem je i způsob přenosu kroutícího momentu z trakčního motoru na hnací
dvojkolí:
-
motor je uložen přímo na hnací nápravě,
s ozubeným převodem,
s ozubeným převodem a dutým hřídelem,
- 33 -
-
s ojničkovým přenosem,
s lamelovou spojkou,
se skupinovým pohonem náprav,
s jalovým hřídelem a skupinovým pohonem náprav
Stejnosměrný systém
Stejnosměrná proudová soustava používá na hlavních tratích v trolejové síti napětí
1,5 kV a 3,0 kV. Toto napětí se do trolejové sítě přivádí z měníren umístěných asi v 20ti
kilometrových vzdálenostech podél trati. V měnírnách se v usměrňovacích jednotkách mění
přiváděný střídavý proud na stejnosměrný. Střídavý proud se přivádí z veřejné energetické
sítě o napětí 110 kV nebo 220 kV. Přívod elektrického proudu na stejnosměrná hnací vozidla
se provádí pomocí pevných trakčních zařízení, které tvoří rozvodny, transformovny, spínací
stanice, pevné a pojízdné měnírny a trakční vedení (obr. č. 1.3.1).
V provozu vozidel elektrické trakce používáme trakční napájecí stanice dle tab. č. 1.3.1:
Výrobní síť
Trakční síť
Jednofázová 16 (2/3) Hz
Jednofázová 16 (2/3) Hz
Trojfázová 50 Hz
Jednofázová 50 Hz
stejnosměrná
Trakční a
napájecí
stanice
Změna
Transformovny
Napětí
Měnírny
Napětí a kmitočet
Transformovny
Napětí a počet fází
Měnírny
Napětí a kmitočet
Tab. č. 1.3.1: Trakční napájecí stanice
Trakční napájecí stanice stejnosměrné proudové soustavy jsou měnírnami, ve kterých
se mění trojfázový proud vysokého nebo velmi vysokého napětí a průmyslovým kmitočtem
50 Hz na stejnosměrný proud odpovídajícího trakčního napětí. Dříve se u nás používaly
rotační měniče. Později to
byly rtuťové usměrňovače, které se v současnosti nahrazují
výhodnějšími usměrňovači křemíkovými.
- 34 -
Obr. č. 1.3.1 : Princip napájení železničních tratí elektrickým proudem
Vstupní napětí z veřejné dítě se musí před usměrněním transformovat na hodnotu napětí
usměrňovačů (tab. č. 1.3.2).
Druh dopravy
Hlubinné doly
Pouliční dráhy
Metro
Napětí v troleji (V)
250
600
750
1500
3000
Napětí měnírny (V)
275
660
825
1650
3300
6
22
22
22; 35
22; 110
Napětí trojfázové sítě (kV)
Hlavní dráhy
Tab. č. 1.3.2:Transformace napětí v závislosti na druhu dopravy
Rozdíl jmenovaných napětí v troleji a měnírně respektuje úbytky napětí ve vedení a
v usměrňovačů jednotkách.
Vzdálenosti trakčních napájecích stanic závisí na napětí, na vodivém průřezu a
dopravním toku (viz. tab. č. 1.3.3)
Napětí (V)
250
600 a 750
1500
3000
Vzdálenost (km)
1-2
2-5
10-15
20-30
Tab. č. 1.3.3: Závislost vzdálenosti napájecích stanic na napětí
Pojízdná měnírna je složena ze dvou vozů:
-
transformační a usměrňovací vůz,
napájecí vůz se stejnosměrným rozváděčem
Trakční vedení je složeno z přírodního vedení a zpětného vedení.
- 35 -
Přívodní trakční vedení se skládá z těchto částí:
-
Napájecí vedení-vývody z měnírny k trolejovému vedení. Obvykle je provedeno
holými vodiči přes růžkové odpojovače.
Trolejové vedení a) prosté-trolejový drát je zavěšen přímo na podpěrách, b)
řetězovkové- trolejový drát je zavěšený pomocí věšáků různé délky na závěsném
laně, které je zároveň vodičem.
Zesilovací vedení se používá na tratích s velkým odběrem elektrického proudu, na
velkých stoupáních. Zvětšuje se průřez trolejového drátu pomocí souběžně
vedeného ocelohliníkového lana po jedné nebo po dvou stráních trati.
Obcházecí vedení spojuje nesouvislé úseky a umožňuje odpojení mezilehlého
úseku bez přerušení provozu na přilehlých úsecích.
Trolejový drát je nejčastěji měděný, ale zkouší se také ocelohliníkové. Trolejový drát
je ve vodorovné rovině klikatě vedený stranovou výchylkou od osy koleje, což způsobuje
rovnoměrnější opotřebení drátu. Upevnění drátu je zajištěno pomocí šikmo zavěšených
kotev, které jsou upnuty na konzolách a jejich prostřednictvím na stožárech.
Zpětné trakční vedení rozeznáváme:
- kolejnicové vedení je tvořeno kolejnicemi, kterými se trakční elektrický proud přivádí od
kol hnacího vozidla zpět do měnírny
- zpětné napájecí vedení jsou kabelové vodivé spoje mezi kolejnicemi a zápornou přípojnicí,
umístěnou v měnírnách.
Obr. č. 1.3.2: Trakční obvody elektrické stejnosměrné
lokomotivy
1. Sběrače proudu, 2. Odpojovače, 3. Přepěťový
svodič, 4- Hlavní odpojovač a uzemnění, 5. Přepěťová
ochrana, 6. Hlavní vypínač,
8.
Spouštěcí
odporníky,
7. Skupinové spínače,
9.
Trakční
motory,
10. Přepínač směru jízdy, 11. Odporník zeslabování,
12. Tlumivka zeslabování, 13. Ampérmetr, 14.
Nápravový sběrač.
- 36 -
Uložení trakčního motoru a převod jeho mechanického výkonu na hnací kola je
realizován:
-
neodpruženým motorem spočívajícím svou hmotností na hnací nápravě,
částečně odpruženým motorem spočívajícím jen části své hmotnosti na nápravě
prostřednictvím tlapových ložisek, druhá část je pružně zavěšena na rámu vozidla
zcela odpruženým motorem zavěšeným na odpruženém rámu podvozku nebo
rámu skříně
Trakční motory mohou být umístěny v elektrických lokomotivách hluboko
v podvozku pod lokomotivní skříní, vyvýšeně a odpruženě v podvozku, částečně zasahující
do lokomotivní skříně a nad nápravou uložené odpruženě v lokomotivní skříni nebo
v odpruženém rámu podvozku.
Trakční motory jsou sériové. Nejčastěji jsou napájené proudem přímo z trakční sítě.
Vzhledem k nutnosti zmenšení napětí na komutátoru spojují se dva, tři nebo čtyři motory
trvale mezi sebou a tvoří elektricky spojené skupiny motorů se stejným protékajícím
proudem. Spouštění motorů provádíme ztrátově předřadnými odporníky a k rožšíření
hospodárného regulačního rozsahu používáme spínání skupin motorů a zeslabování buzení.
Pro přenos kroutícího momentu na pevnou nápravu se používají konstrukce tuhých, pružných
a poddajných převodů.
Lokomotivní skříň lokomotiv tvoří rám, střecha a boční stěny. Rám je tvořen
z podélných nosníků, které jsou na koncích s výztužnými čely pro tažné a narážecí ústrojí.
Střecha vozidel bývá dělena na odnímatelné díly, aby byla snadní montáž a demontáž
strojního zařízení ve strojovně. Na koncích střechy bývají upevněny sběrače proudu a mezi
nimi v konstrukci střechy umístěny odporníky. V bočních stěnách jsou vstupní dveře,
zasouvací žebřík pro výstup na střechu vozidla, okna pro zlepšení viditelnosti ve strojovně a
větrací otvory. Na obou koncích skříně jsou kabiny pro obsluhu vozidla. Sběrače proudu
slouží ke kontaktnímu odběru proudu z trolejového vedení pomocí lyžin, které jsou zespodu
pružícím pantografovým mechanizmem přitlačovány stálým tlakem k troleji. Rozměry a
pracovní zdvih sběrače jsou přesně limitovány povoleným obrysem pro horní část vozidel.
Zvedání a spouštění sběračů se provádí stlačeným vzduchem. Pro kvalitní odběr proudu
bývají na lyžinách měděné nebo grafitové lišty.
- 37 -
Proudové okruhy elektrické výzbroje vozidla lze rozdělit na
-
trakční,
pomocných pohonů a zařízení poháněných z trakční sítě,
řídícími, signálními, měřícími a světelnými napájených ze zdroje pomocného
proudu nízkého napětí.
Trakční proudové okruhy obsahují trolejové sběrače proudu, odpojovače sběračů,
předpěťovou ochranu, odpojovač a zemnič celého trakčního zařízení, hlavní vypínač
s nadproudovou spouští, spouštěcí a brzdové odporníky, spínače odporových stupňů, spínače
pro zeslabovaní buzení (šenty), bočníky pro ampérmetry, nápravové sběrače proudu,
nadproudová, rozdílová, předpěťová, podpěťová, skluzová a jiná relé pro ochranu
proudových okruhů. Působení ochran je signalizováno klapkovým návěstníkem nebo
panelem palubní diagnostiky na pracovišti strojvedoucího. Dále je doplňováno informacemi o
měření elektrických veličin, měření rychlosti jízdy, teploty spouštěcích a brzdových
odporníků, teploty vinutí pomocných pólů trakčních motorů, tlak vzduchu v hlavní jímce,
v potrubí, v brzdovém válci a v pomocné jímce.
U novějších typů vozidel to bývají také zařízení v okruzích pro elektrické brždění do
odporů nebo zpět do sítě (rekuperací).
Střídavý systém
Střídavá
proudová soustava používá jednoduššího rozvodu střídavého proudu
v trolejové síti o napětích od 10 kV do 25 kV a s různými kmitočty 16 2/3, 25, 50, a 60 Hz.
Snížený kmitočet je volen u střídavých komutátorových trakčních motorů hlavně z důvodu
komutačních. Pro rozvod elektrické energie se nejčastěji používá trojfázový proud
s kmitočtem 50 Hz. Elektrické lokomotivy střídavé proudové soustavy jsou složeny ze
stejných hlavních částí jako elektrické lokomotivy stejnosměrné. Rozdílnost je značná
v elektrické síti, protože přiváděný proud musí být na lokomotivě upravován podle trakčních
motorů.
Napájení trakčních motorů je uskutečněno:
-
Přímo jednofázovým střídavým proudem 50 Hz sníženého napětí. Motory jsou
komutátorové nebo indukční jednofázové.
Nepřímo přeměnou jednofázového proudu na jiný druh proudu jednofázovoutrojfázovou s použitím stejnosměrných motorů a jednofázovou. Stejnosměrnou
s použití stejnosměrných motorů.
Přímo usměrněným proudem vlnitým se rtuťovými usměrňovači nebo
polovodičovými ventily.
- 38 -
Lokomotivy v provozu ČD (obr. č. 1.3.3) používají rozvodné napětí 25 kV a kmitočet
50 Hz. Na vozidlech musí být proud upravený, protože pro pohon dvojkolí používáme
zpravidla stejnosměrné trakční motory. Elektrická výzbroj stejnosměrné části lokomotiv je
tedy podobná lokomotivám stejnosměrným. Na vozidle musí být i výzbroj pro část napájenou
stejnosměrným proudem.
Obr. č. 1.3.3: Schéma elektrické
lokomotivy na střídavý proud
AT- autotransformátor s regulací
napětí na primárním vinutí, U1,2usměrňovače, TI1,2- vyhlazovací
tlumivky, M1,2- stejnosměrné trakční
motory
Přiváděný proud vysokého napětí je nutno na lokomotivě transformovat na napětí
nižší. Trakční transformátor, zpravidla umístěný mezi podvozky mívá nucené olejové
chlazení a je vybaven vysokonapěťovým přepínačem odboček, poháněným pneumatickým
motorem ovládaným z obou stanovišť strojvedoucího. Primární vinutí je napájeno
regulovaným vinutím z autotransformátoru. Sekundární vinutí je rozděleno na dvě
samostatné sekce, které napájejí přes usměrňovače oba podvozky. Dalším obvodem přes
usměrňovač je napájeno elektrické vlakové topení a pomocné pohony.
Vícesystémová vozidla
Používání různých proudových soustav, často i na tratích jedné železnice vyžaduje
používání vícesystémových vozidel, která umožňují v průběhu jízdy vlaku pouhým
přepnutím na stanovišti strojvedoucího změnit zapojení elektrických obvodů na jiný druh
přiváděného proudu. Přímý přechod vlaků na tratě s odlišnou proudovou soustavou je možný
dvou nebo vícesystémovými vozidly, která mají plný výkon ve všech proudových soustavách
(obr. č. 1.3.4).
Rozdělení vícesystémových vozidel se realizuje na:
-vozidla, která mají proudové soustavy různých kmitočtů a napětí z nichž alespoň
- 39 -
jedna soustava je stejnosměrná
- dvounapěťová a vícenapěťová vozidla pro proudové soustavy různých napětí, ale
stejného kmitočtu,
- dvoufrekvenční vozidla při proudových soustavách střídavých s různým kmitočtem i
při různých napětích.
Změna proudové soustavy má přímý vliv na řešení trakčního zařízení, na volbu typu a na
spojení trakčních motorů, na jejich napájení a řízení.
Obr. č. 1.3.4: Vysokonapěťové obvody elektrické dvousystémové lokomotivy pro napětí 3 kV a 25 kV
D1,2 sběrače proudu; V 1,2 odpojovače sběračů; V3 odpojovač stejnosměrného systému; E1 měřící
transformátor; N1 vypínač střídavého proudu; N2 vypínač stejnosměrného proudu; M1,2,3,4 trakční motory;
M7,8 motory kompresorů; M9,10 Motory ventilátorů, G generátor stejnosměrného proudu; R1,2,7,8,9
rozběhové odporníky; S1-5 elektropneumatické stykače trakčního obvodu; L3 vyhlazovací tlumivka; U1,2
usměrňovače; T1 trakční transformátor
Akumulátorová vozidla
Jedná se o vozidla polozávislé trakce. Pohonným soustrojím jsou stejnosměrné
motory, převážně sériové a jsou napájeny z vlastního zdroje-akumulátorové baterie. U tohoto
systému odpadá nákladná stavba pevných trakčních zařízení pro přívod proudu a vozidla je
možné používat i na tratích s menším provozem při všech výhodách elektrické trakce. Velkou
nevýhodou těchto vozidel je možnost použití na krátké vzdálenosti a hlavně značná hmotnost
akumulátorových baterií.
- 40 -
Obr. č. 1.3.5: Trakční charakteristika elektrické stejnosměrné lokomotivy s vyznačením postupného
řazení jízdních stupňů (silná pilová čára)
- 41 -
Motorová trakce
Používání vozidel motorové trakce má tyto výhody:
-
vysokou celkovou účinnost,
velký akční rádius a možnost vyššího provozního využití,
snazší obsluha,
téměř okamžitou použitelnost k dopravnímu výkonu,
nezávislost na přívodu energie.
Motorová trakce má však i své nevýhody:
-
vyšší pořizovací náklady,
složitost konstrukce vozidel a s tím související vyšší nároky na údržbu
cena paliva
negativní vlivy na životní prostředí.
Srovnáním předchozích faktorů má motorová trakce největší uplatnění v posunovací
službě a u manipulačních vlaků. Dále v traťové osobní i nákladní službě a tam, kde dosud
není elektrifikace pro rychlou mezistátní dopravu a na tratích se smíšeným provozem nebo
různými proudovými soustavami.
Podle použitého přenosu výkonu lze motorové trakce vozidel rozdělit na mechanické,
elektrické, hydraulické-hydrostatické a hydrodynamické, popř. kombinované.
Podle způsobu pohonu dvojkolí pak na skupinový pohon Gallovým řetězem, jalovým
hřídelem se spojnicemi a kloubovými hřídeli a samostatným pohonem každého dvojkolí.
Schématické znázornění druhů přenosu je zobrazeno na obr. č. 1.3.6.
Obr. č. 1.3.6: Schématické znázornění druhů přenosu
výkonu u vozidel motorové trakce.
1. Spalovací motor, 2.
převodovka,
3.
Mechanická nebo hydraulická
Kardanový
hřídel,
4.
Nápravové
převodovky, 5. Jalový hřídel, 6. Spojnice, 7. Generátor
stejnosměrného proudu, 8. Stejnosměrné trakční motory,
9. Vedení elektrického proudu.
- 42 -
Spalovací motory
Základní pohonnou jednotkou a zdrojem prvotní energie vozidel motorové trakce je
spalovací motor. Pro železniční provoz používáme různé typy, druhy a konstrukce
spalovacích motorů.
Nejčastěji se používají čtyřdobé vznětové motory. Zvyšování jejich výkonu můžeme
dosáhnout zvýšením počtu otáček nebo středního užitečného tlaku na píst. Místo přirozeného
nasávání používáme přetlakového plnění válců. Přeplňování může být nízkotlaké, středotlaké
a vysokotlaké. Stlačený vzduch dodávají dmychadla nebo turbíny. Palivo potřebné pro
činnost motoru je z nádrže přiváděno potrubím přes čističe paliva do vstřikovacího čerpadla.
Vstřikovací čerpadlo zajišťuje vstřikování správného množství paliva pod vysokým tlakem a
v určitém časovém okamžiku do válce motoru. Čerpadla bývají nejčastěji pístová. Chlazení
motoru má zajišťovat jeho nejvýhodnější provozní teplotu a zabránit jeho tepelnému
přetížení. Kapalinový chladící okruh obsahuje vodní čerpadlo pro nucený oběh kapaliny,
vyrovnávací nádrž potrubím, chladičové bloky, ventilátor chlazení, regulační zařízení a ruční
nouzové čerpadlo. Důležitou částí je mazací okruh, který se skládá z olejového čerpadla,
potrubí s regulačními a pojišťovacími ventily, čističe a chladiče oleje.
Pro české lokomotivy (obr. č. 1.3.7) vyrábí nejvíce motorů ČKD Plzeň. Nejčastěji se
jedná o vznětové motory s kapalinovým chlazením. Válce jsou zpravidla uspořádány do V.
Obr. č. 1.3.7: Schématický řez motorovou lokomotivou
1. Spalovací motor, 2. Turbínové přeplňování, 3. Trakční generátor, 4. Pomocný generátor, 5. Elektrická
přístrojová skříň, 6. Vzduchové filtry, 7. Ventilátor k trakčním motorům, 8. Skříň k pneumatických přístrojů, 9.
Jímky na stlačený vzduch, 10. Vzduchové chladící ventilátory, 11. Přívod vzduchu, 12. Palivová nádrž, 13.
Řídící pult, 14. Trakční motor.
- 43 -
Přenos výkonu motorových lokomotiv
Motorové lokomotivy a vozy na rozdíl od parního stroje parních lokomotiv musejí mít
mezi spalovacím motorem a hnacím dvojkolím vložené zařízení pro přenos výkonu. Toto
zařízení přizpůsobuje nevhodní trakční vlastnosti motorů potřebnému průběhu podl ideální
trakční charakteristiky.
Spalovací motor není schopen měnit tažnou sílu ve větším rozmezí, proto musí
přenosové zařízení zabezpečovat:
-
přenos výkonu motoru na hnací dvojkolí,
rozdílnost otáček hřídele motoru a hnacího dvojkolí,
převod kroutícího momentu motoru na tažnou sílu na obvodě kol,
možnost využití plného výkonu motoru, pokud možno v celém rozsahu jízdních
rychlostí,
maximální tažnou sílu při rozjezdu,
dosažení maximální účinnosti,
vysokou spolehlivost,
možnost reverzace chodu,
snadné přerušení vazby mezi motorem a dvojkolím,
nízkou pořizovací cenu a levný provoz a údržbu
Nejstarším přenosem výkonu je mechanický. Používá se u vozidel s menším výkonem
motoru. Další možné přenosy jsou elektrické, hydraulické, popř. kombinace.
Mechanický přenos se skládá ze:
1. Spojky-umožňující chod motoru naprázdno, příp. jízdu vozidla bez použití motoru,
2. Převodovky-umožňující řazení různých jízdních stupňů,
3. Reverzace-umožňující jízdu oběma směry,
4. Pohonů provádějících spojení přenosových částí s dvojkolím
Spojka uložená mezi motorem a mechanickou převodovkou bývá obvykle třecí.
Přenáší plný výkon motoru, přerušuje spojení mezi hřídelem motoru a vstupním hřídelem
převodovky a umožňuje pozvolné spojování obou hřídelů a vyrovnání jejich otáček při
rozjezdu vozidla až do úplného spojení. Spojky bývají různých konstrukcí, avšak převážně
lamelové, kotoučové a kuželové.
Mechanická převodovka je skříň, ve které je uložena soustava ozubených kol a
hřídelů. Ozubená kola mohou být ve stálém záběru. Řazení stupňů probíhá pomocí zubových
spojek nebo jsou některá ozubená kola posuvná. Pomocí třecích spojek se řadí stupně u
planetových převodovek. Výkon z převodovky se přenáší na hnací dvojkolí článkovými
řetězy a zpravidla kloubovými hřídeli. Ty však vyžadují na každém hnacím dvojkolí zvláštní
- 44 -
rozvodovou skříň s kuželovými ozubenými koly.
U hydraulického přenosu výkonu slouží k přenosu energie kapalina. Nejčastěji je
to olej. Spalovací motor pohání čerpadlo, které vtlačuje kapalinu do pracovního prostoru
hydraulického stroje a z jeho výstupního hřídele jsou pak poháněna hnací dvojkolí. Přenos se
dělí na:
-hydrostatický-pro menší výkony do 300 kW,
- hydrodynamický- pro výkony 1400 kW jednoho agregátu
U hydrostatického přenosu výkonu uděluje pístové čerpadlo kapalině vysoký tlak
až 30 MPa. Tlaková kapalina je vedena potrubím do pístového hnacího stroje, který je
podobný pístovému čerpadlu. Z jeho výstupního hřídele je přenášen kroutící moment na
hnací dvojkolí.
Hydrodynamický přenos (obr. č. 1.3.8) výkonu využívá odstředivého čerpadla, které
uděluje kapalině vysokou rychlost. Touto rychlostí vtéká kapalina do turbínového kola, uvádí
jej do rotačního pohybu a ten je přenášen na hnací dvojkolí.
Obr. č. 1.3.8 : Schématické
znázornění hydrodynamického
přenosu výkonu tříměničovou
převodovkou
- 45 -
1.4 Stanovení jízdních odporů kolejových vozidel
Celou skupinu odporů začleňujeme do množiny, která se nazývá jízdní odpor. Jedná
se o sílu, která působí proti pohybu vozidla po trati a která není brzdnou silou. Tyto odpory
lze rozdělit do dvou odlišných skupin podle charakteru vzniku a působení na vozidlový odpor
a traťový odpor. Vozidlový odpor je dán jednoznačně konstrukcí vozidla na rozdíl od
traťového odporu, který je funkcí průběhu trati.
Obr. č. 1.4.1: Rozdělení vozidlového odporu
Vozidlový odpor
Vozidlový odpor (obr. č. 1.4.2) je součást jízdního odporu závislý na konstrukci a
stavu vozidla. Místo výskytu vozidlového odporu lze najít v místě styku vozidla s dopravní
cestou a s vnějším prostředím. Nedělitelnou součástí vozidlového odporu jsou odpory
ložisek, odpor válení, popř. odpor vzduchu.
Odpor ložisek je vyvolaný u vozidlového odporu třením v ložiskách. Velikost odporu
ložisek a tím i jeho součinitele je velmi proměnlivá hodnota. Závisí především na typu
ložiska (valivé, kluzné), kvalitě maziva a druhu oleje, teplotě ložiska, zatížením kola a
rychlosti pohybu.
- 46 -
Obr. č. 1.4.2: Vozidlový odpor
Z hlediska mazání kluzných ploch rozeznáváme čtyři fáze tření:
1. tření suché-vozidlo bylo delší dobu v klidu, došlo k vytlačení maziva ze styčných
ploch a součinitel tření dosáhl poměrně vysoké hodnoty (až 0,2);
2. tření polosuché-nastává v prvních okamžicích rozjezdu, kdy se ještě nevytvoří
souvislá vrstva maziva;
3. tření mezní-součinitel tření dosahuje extrémně nízkou hodnotu;
4. tření kapalinové-hodnota součinitele tření se zvětšující se rychlostí pomalu
stoupá.
Na velikost součinitele tření v ložiskách má výrazný vliv venkovní teplota. Např.
hodnota součinitele tření při mrazu -20°C je dvojnásobná oproti hodnotě při pokojové
teplotě.
Odpor valení je součást vozidlového odporu vyvolaného válením rotačního tělesa po
podložce. Je obecně známa skutečnost, že skutečné reálné těleso na drsné podložce se
neuvede do pohybu i když na něj působí určitá malá síla nebo moment. Z tohoto důvodu
existuje určitá odporová složka síly, kterou nazýváme odpor válení. Tato síla brání rotačnímu
tělesu v pohybu a nesouvisí se smykovými silami ani s adhezním třením. Na obr. č. 1.4.2 je
znárodněné těleso (dvojkolí) v klidu. Je vyrobeno z tvrdšího materiálu než podložka
(kolejnice) a z tohoto důvodu dochází vlivem působení tíhy Gv k částečnému vtlačování
tělesa do podložky. Styk dvojkolí a kolejnice je uskutečňován na malé ploše a reakce Gv je
- 47 -
symetrická k ose dvojkolí v klidu. V důsledku působení hnací síly a hnacího momentu
dochází k uvedení tělesa do valivého odporu a to vede ke stlačování kolejnice rotačním
tělesem. Rozložení tlaků v místě kontaktu pak není symetrické (obr. č. 1.4.2). Vzdálenost
posunutí reakce tíhy tělesa Gv ve směru pohybu se nazývá součinitel válení nebo rameno
valivého odporu ξ. Reakce Gv na rameni ξ vytváří moment valivého tření Mv=Gv. ξ, který
působí proti hnacímu momentu.
Velikost tohoto momentu závisí na materiálu obručí
dvojkolí (tj. rotačního tělesa) a kolejnice, na velikosti přenášení tíhy, rychlosti pohybu,
jakosti třecích povrchů, stavu dopravní trasy a charakteru pohybu dvojkolí.
Teoreticky lze vozidlový odpor velice jednoduše odvodit součtem odporu čepového
tření a valivého odporu k místu kontaktu (obr. č. 1.4.2):
FV = Gv .
d⎛
ξ⎞
⎜ μč + 2 ⎟
D⎝
d⎠
[N]
(1.4.1)
Přesné určení matematického vztahu pro výpočet odporu válení je velmi obtížné.
Odpor vzduchu se uplatňuje především u velkých rychlostí. Do vztahu pro výpočet
celkového vozidlového odporu (1.3.1) se obvykle neuvádí. Odpor vzduchu je přímo úměrný
kvadrátu rychlosti. Určí se z všeobecně platného fyzikálního vztahu:
1
FVZD = .cx .S .ρ vzd .v12
2
[N]
(1.4.2),
kde
cx je tvarový součinitel závislý na tvaru hnacího vozidla a počtu vozidel (0.25 až 1,2),
S- příčný průřez čelního vozidla [m2],
ρvzd- hustota vzduchu [kg.m-3],
v1- relativní rychlost obtékání vzduchu okolo stěn vozidla [m.s-1].
Odpor vzduchu daného vozidla je závislý na rychlosti a příčném průřezu a hustotě vzduchu.
Hustota vzduchu závisí na teplotě a atmosférickém tlaku podle vztahu:
ρvzd 2 = ρvzd 1.
p2 .T1
p1.T2
[kg.m-3]
(1.4.3),
kde
p2, p1 je vyjádření změny atmosférického tlaku [Pa],
T1, T2 je vyjádření změny teploty vzduchu [K].
Empirický výpočet součinitele vozidlového odporu bere v úvahu nejdominantnější
- 48 -
veličinu-rychlost. Empirický výpočet vznikl na základě praktického měření.
Nejvhodnější model lze vyjádřit v parabolickém tvaru posunutého počátku (obr. č. 1.4.3):
[N.N-1] (1.4.4),
wv = a + b.v + c.v 2
kde
v je rychlost pohybu zkoumaného vozidla [km.h-1]
a, b, c-jsou koeficienty polynomu vypočítané metodou nejmenších čtverců
z naměřených hodnot.
Obr. č. 1.4.3:
Graf součinitele
vozidlového odporu
U vztahu (1.4.4) není vhodné zkoumat původ koeficientů jako např. a-odpor válení,
b-odpor ložisek, c-koeficient vzduchu, protože tyto koeficienty nevyjadřují velikost vlivu
jednotlivých separátních odporů v závislosti na rychlosti a vozidlovém odporu.
V případě, že koeficient b je nula nebo je blízký hodnotě nula, pak:
[N.N-1] (1.4.5),
wv = a + c.v 2
a není samozřejmě důvod k tomu myslet si, že odpor ložisek je nulový.
- 49 -
Vztah pro výpočet součinitele vozidlového
odporu wv [N.N-1], v [km.h-1],
Rozsah
platnosti
[km.h-1]
1,35+8.v/100+v2/300
0 až 150
-
1,9+v2/2150
0 až 100
2-nápr. nák.
100 až 150
1,9+v2/2150
0 až 100
M4
Bix 18, 5 m
-
1,8+v/100+v2/2100
0 až 100
M2
2-nápr. příp.
-
1,5+v2/115
0 až 80
T4
4-nápr. nák.
151 až 200
1,3+v2/3000
0 až 100
U4
4-nápr. nák,
50 až 99
2,0+v2/1250
0 až 100
Typ vozidlového
odporu
Index t
Druh nápravy
Nápravové
zatížení
[kN]
R
4-nápr.
80 až 150
S
2-nápr. os.
Tab. č. 1.4.1: Empirické vztahy pro výpočet součinitele vozidlového odporu dopravovaných vozidel
V tabulce č. 1.4.1 jsou uvedeny empirické vztahy pro výpočet součinitele vozidlového
odporu. Kromě této hodnoty vozidlového odporu nebo součinitel vozidlového odporu je
možné najít velikost skutečného vozidlového odporu v technické dokumentaci vozidel.
Uvedené součinitele odporu (1.4.4 a 1.4.5 a tab.č. 1.4.1) jsou vztažené na 1 kN tíhy zatížení
vozidla.
Vozidlový odpor kolejových vozidel MHD
Vozidlové odpory kolejových vozidel městské hromadné dopravy (MHD) někteří
autoři rozdělují na hnací vozidla a dopravovaná vozidla, příp. hnací dvojkolí a pro běžné
dvojkolí. Z tohoto pohledu můžeme síly na překonávání odporů rozdělit na hnací a běžné
dvojkolí, tj. na hnací a dopravované vozidla.
Empirický vztah pro výpočet součinitele vozidlových odporů kolejových vozidel je
dán vztahem pro:
a) dvounápravové tramvaje s hmotností do 20 t
[N.N-1] (1.4.6),
wv = 5 + b.v + 0,00096.v 2
b) dvounápravové tramvaje s hmotností do 40 t
- 50 -
[N.N-1] (1.4.7),
wv = 4,4 + b.v + 0,00064.v 2
c) čtyřnápravové tramvaje
wv =
25 + 0,01.v 2 0,01.S .v 2
+
.(0,43 + 0,06.nv ).c x
Gv
Gv
[N.N-1] (1.4.8),
c) tramvaje lehké konstrukce s koly s gumovými vložkami (Davis)
wv = 3,65 +
14,5
44.S .v 2
+ 0,045.v 2 +
.10 −4
Ao
Ao .nn
[N.N-1] (1.4.9),
kde
Gv je hmotnost vozidla [N],
nv-počet vozidel ve vlaku,
cx- tvarový součinitel,
Ao- nápravové zatížení [N],
nn- počet dvojkolí,
S- velikost průmětu čelní plochy [m2].
Vozidlový odpor vlaku je definován součtem vozidlového odporu hnacího vozidla
(hnacích vozidel) a vozidlového odporu dopravovaných vozidel. Odpor vlaku je možné
odvodit na základě znalosti součinitelů vozidlového odporu hnacího vozidla a dopravovaných
vozidel.
Traťový odpor
Traťový odpor je součást jízdního odporu závislý na stavu tratě a konstrukci tratě.
Tento odpor působí proti pohybu vozidla v průběhu jízdy do stoupání a v traťových
obloucích (popř. v tunelech). V průběhu pohybu vozidla po členitém traťovém terénu má
významný vliv na traťový odpor velikost stoupání a jeho délka. Zajímavý je výzkum délky
vlaku a jeho hmotnosti na velikost traťového odporu.
Odpor ve sklonu
Odpor sklonu je součást traťového odporu vyvolaný složkou tíhy ve směru
rovnoběžném s osou koleje (obr. č. 1.4.4).
- 51 -
Obr. č. 1.4.4: Traťový odpor-odpor sklonu
Podstatné pro vyjádření velikosti odporu sklonu Fsk jako součástí traťového odporu je
vyjádření složky tíhy Gv do směru pohybu. Z obr. č. 1.3.4 vyplývá:
sin α =
Fsk
Gv
[-]
(1.4.10),
kde úhel α sklonu tratě se obvykle vyjadřuje jako přírůstek výšky nivelety s na úseku
trati 10 (viz obr. č. 1.4.4) a vyjadřuje se v promilích ( 0 / 00 ) a Gv – je tíha všech hmot hnacích
a hnaných vozidel, včetně tíhy nákladu [N], pak
3
tan α =
s
103
[-]
(1.4.11),
Z podobnosti trojúhelníků platí rovnost úhlů tzn. také goniometrických funkcí. Za
předpokladu malých úhlů je rozdíl mezi sin α a tan α zanedbatelný a je možné napsat:
sin α ≈ tan α a
Fsk
s
= 3
Gv 10
[-]
(1.4.12),
[N/N]
(1.4.13),
odtud velikost součinitele traťového odporu i ve sklonu
i=±
s
103
- 52 -
kde
+ znamená odpor pro dopravu směrem vzhůru a znaménko – značí pro dopravu
směrem dolů,
s-sklon tratě v [ 0 / 00 ] ,
Odpor v oblouku
Odpor v oblouku je vyvolaný zakřivením tratě (koleje). V oblouku dochází
v důsledku několika vlivů ke tření nákolku a oběžné plochy kol s hlavou kolejnice. Vzniklá
třecí síla se projevuje jako zvýšený odpor-odpor v oblouku. Navíc, rozchod kolejnic
způsobuje, že v oblouku je délka vnější kolejnice větší než délka vnitřní kolejnice . Dvojkolí
vozidla je tuhé a proto kola dvojkolí v oblouku mají stejné otáčky a opisují stejnou dráhu
(obr. č. 1.4.5). Vzhledem k nestejné délce kolejnic v oblouku musí zákonitě jedno z kol
v oblouku prokluzovat a na hlavě kolejnice vzniká tření. Toto prokluzování zmenšuje
kuželovitostí povrchu jízdní plochy kola. Tato kuželovitost má vliv na klidnost jízdy vozidla.
Pro pohyb vozidla v oblouku platí, že odstředivá síla v oblouku má velikost:
Fo =
m.v 2
Ro
[N]
(1.4.14),
kde
m-hmotnost vozidla [kg],
v-rychlost pohybu [m.s-1],
Ro-poloměr oblouku [m].
Tato síla přitlačuje nákolky vozidla k vnější kolejnici a způsobuje třecí sílu, která se
zvětšuje s kvadrátem rychlosti. Na kompenzaci odstředivé síly se dělají opatření na trati i na
vozidlech. Za těchto okolností nejsou složky oblouku jen záležitostí stavebně-technického
vztahu dopravní cesty, ale také i funkcí závislosti na konstrukci a stavu vozidla.
- 53 -
Obr. č. 1.4.5: Vliv nestejné délky kolejnic v oblouku
Obecně lze funkční závislost součinitele odporu v oblouku vyjádřit následovně:
wo = f (
e, ϕ , h, l , a, F , v
)
Ro , G
[N/N]
(1.4.15),
kde
e-rozchod koleje [m],
ϕ-smykové tření [-],
h-převýšení koleje v oblouku [m],
l- vzdálenost otočných čepů podvozků [m],
a- střední hodnota rozvoru [m],
F- tažná síla [N],
Ro-poloměr oblouku [m],
G-tíha vozidel [N],
v-rychlost jízdy [m.s-1].
V odborné literatuře se většinou velikost součinitele odporu v oblouku vyjadřuje
podle všeobecného vztahu, ve kterém figuruje poloměr oblouku Rove tvaru:
wo =
a
Ro − b
[N/N]
(1.4.15),
kde
a, b jsou koeficienty vypočítané při vyhodnocení měření , např. metodou nejmenších
- 54 -
čtverců.
V ČR jsou uznávané tzv. Röcklovy vzorce pro výpočet součinitele odporu v oblouku.
Röckl odvodil tyto vztahy na základě rozsáhlých zkoušek v 80. letech 19. století. I když tyto
vztahy byly určeny na tehdejší vozy s malým rozvorem a pevnými nápravami, vyhovují i
dnes a proto součinitele odporu v oblouku mohou být použitelné pro různé tratě následovně:
wo =
650
Ro − 55
[N/N]
pro e=1435 mm-hlavní tratě
(1.4.16),
wo =
500
Ro − 30
[N/N]
pro e=1435 mm-vedlejší tratě
(1.4.17),
wo =
400
Ro − 20
[N/N]
pro e=1000 mm
(1.4.18),
wo =
300
Ro − 10
[N/N]
pro e=750 mm
(1.4.19),
wo =
0,5. f .(e + a 2 + e 2 )
Ro
[N/N]
(1.4.20),
kde
Ro je poloměr oblouku [m],
f součinitel smykového tření mezi kolem a kolejnicí [N/N],
e-rozchod kolejnic [m],
a-pevný rozvor podvozku [m].
Odpor v tunelu
Odpor v tunelu i když je součást traťového odporu vyvolaný působením vzduchu
v tunelu účinkem jízdy, respektujeme ho na železnici jen ve zcela výjimečných případech.
Odpor v tunelu vzniká zvětšených aerodynamickým odporem v průběhu přejezdu vozidla
tunelem. Vozidlo tlačí sloupec vzduchu, který nemá možnost úniku tak jako na volné trati a
z tohoto důvodu způsobuje mohutné víření.
Součinitel odporu tunelu nabývá hodnoty pro jednokolejový tunel:
wt = 2 N/kN
- 55 -
a pro dvojkolejový tunel:
wt = 1 N/kN
Celkový jízdní odpor (statický odpor vozidel na trati)
Celkový odpor vozidel nebo statický odpor při jízdě FS je dán součtem vozidlových a
traťových odporů všech vozidel na příslušném úseku trati, tj.:
FS = n.Gv .(wv ± i + wo )
14243
[N]
(1.4.21),
[N/N]
(1.4.22),
[N]
(1.4.23),
w
odkud součinitel jízdních odporů je definován:
w = wv ± i + wo
kde celková tíha všech vozidel je dána:
Gv = g.(mN + mQ )
n-počet vozidel [-],
mN- hmotnost samotného vozidla [kg]
mQ- hmotnost nákladu přepravovaného ve vozidle [kg]
Celkový odpor vlaku
Celkový odpor vlaku lze vyjádřit součtem všech sil potřebných k pohybu vlaku, tj.
součtem statických jízdních odporů vozidel (vozidlových a traťových odporů) a dynamických
odporů, které vyjadřují setrvačné účinky všech hmot vlaku.
Fvz = Fs + FD
[N]
(1.4.24),
kde dynamický účinek se vyjádří z Newtonova zákona:
FD = k s .m.
dv
dt
[N]
(1.4.25),
odkud
ks je součinitel setrvačných hmot ks∈〈1,01÷1,1〉 obvykle se vyskytující ve vztahu
ks = 1 +
mred
m
[-]
kde
- 56 -
(1.4.26),
m-hmotnost vlastní poháněcí lokomotivy [kg],
mred-hmotnost ostatních hmot redukovaných na obvod kola lokomotivy [kg].
Celkový odpor vlaku lze tedy vyjádřit vztahem:
Fvz = Fs + FD = n.Gv .( wv ±
nú
n
.i + o .wo + 0,112.a ) [N]
n
n
(1.4.27),
nú- počet vozidel v úklonu [-],
no- počet vozidel v oblouku [-],
a-průměrné zrychlení [m.s-2].
Stanovení počtu kolejových vozidel z několika plnících míst.
Obr. č. 1.4.6: Určení vhodného výsypného místa
L1….Ln vzdálenost jednotlivých plnících míst (PM) do výsypného místa
Q1…Qn směnový výkon [t/směnu]
Výpočet průměrné dopravní vzdálenosti
-samostatně pro plné i prázdné soupravy
n
LPR ( PL ) =
∑ Qi Li
[m]
1
n
∑ Qi
1
Doba obratu vlaku (vozidla)
-samostatně pro plné i prázdné soupravy
- 57 -
(1.4.28)
tOL =
LPR
L
+ PL + t z1 + t z 2
60.vPR 60.vPL
[min]
(1.4.29),
vPR (LPR)- průměrná rychlost (délka tratě) prázdné soupravy [m/s] ([m]),
vPL (LPL)- průměrná rychlost (délka tratě) plné soupravy [m/s] ([m]), ,
tz1- ztrátové časy v prostoru plnícího místa (PM) [min],
tz2- ztrátové časy v prostoru průměrná výsypného místa (VM) [min].
Počet vozidel ve vlakové soupravě
a) při rozjezdu soupravy
n1 =
FH max
⎛
⎞
n
n
g .(mN + mQ ).⎜⎜1,5.wv ± ú .i + o .wo ⎟⎟
n1
n1
⎝
⎠
[-]
(1.4.30)
[-]
(1.4.31),
[-]
(1.4.32),
b) při jízdě jmenovitou rychlostí
n2 =
FH
⎛
⎞
n
n
g .(mN + mQ ).⎜⎜ wv ± ú .i + o .wo ⎟⎟
n2
n2
⎝
⎠
Stanovení počtu lokomotiv (souprav)
⎛ ∑n Q ⎞.t .k
⎜
i ⎟ OL N
NL = ⎝ 1 ⎠
+ rezerva
TSM
kN- součinitel nerovnoměrnosti dopravy (1,1 až 1,4),
TSM- využitelný pracovní čas ve směně 360 h (6 h)
Vlaková frekvence v prostoru výsypného místa VM
fVL =
n.mQ .TSM
n
⎛∑
⎞
⎜ Qi ⎟.k N
⎝1 ⎠
≥ tz2
[-]
- 58 -
(1.4.33).
1.5 Základy trakčních výpočtů
Tažná síla a rychlost pohybu vozidla jsou důležité parametry kolejových vozidel,
které vymezují přepravní způsobilost na úsecích dopravní cesty, produktivitu a hospodárnost
provozu těchto vozidel. Kapacitní výpočty hmotnosti (tíhy) vozidel a rychlost jejich pohybu
se vypočítávají podle parametrů trakčních charakteristik, tj. funkce tažní síly a rychlosti,
které jsou ověřené experimenty.
Tažná síla
Všeobecně lze definovat tažnou sílu F jako sílu působící ve směru jízdy vyvolanou
hnacím zařízením. Ve výpočtech se dále objevují další pojmy tažné síly, u kterých je důležitá
základní fyzikální podstata velikosti, směru a působení. Z pohledu místa působení lze
rozeznávat následující varianty tažné síly:
1. Tažná síla indikovaná Fi [N]. Jedná se o pomocný pojem používaný u motorových
hnacích vozidel. Určuje se z práce vykonané ve válcích spalovacího motoru pomocí tzv.
indikátorového diagramu, tj. závislosti na průběhu tlaku ve válci na polohu pístu. Plocha
indikátorového diagramu je úměrná velikosti vykonané práce.
2. Tažná síla na obvodu kola Fk[N]. Tažná síla na obvodě kola je menší než tažná
síla indikovaná a to o ztráty přenosem výkonu a u motorových vozidel o spotřebu pomocných
zařízení. Působení této síly lze simulovat jednoduchým způsobem. Představme si, že na
dvojkolí, které se nedotýká kolejnice působí kroutící moment M motoru. Na hnacím dvojkolí
s poloměrem R se tento moment projeví působením obvodové síly Fk. Tato síla ovšem sama
není schopna přenášet tuto sílu a zabezpečit posuvný pohyb dvojkolí, protože mu udělí pouze
rotační pohyb s úhlovým zrychlením ε. Jestliže dojde ke kontaktu kola s kolejnicí, dvojkolí
přenáší část tíhy a dochází ke vzniku stejně velké síly opačného směru v místě kontaktu.
V tomto místě dochází ke vzniku tření-třecí síly, v důsledku čehož vzniká tečná síla nazývaná
adhezivní síla Fa (obr. č. 1.5.1). Platí tedy:
Fk ≤ Fa
[N]
- 59 -
(1.5.1)
Obr. č. 1.5.1: Obvodová síla a vznik adhezní síly a) bez kontaktu; b)při kontaktu s kolejnicí
Vznik této síly Fa má za následek:
-vznik momentu Fa.R, která působí proti momentu Fk.R, což se projeví nepříznivým
zvýšením úhlového zrychlení dvojkolí,
- posuvnám pohybem dvojkolí a tím uvedením vozidla do žádaného pohybu po
kolejnicí udělením zrychlení a=dv/dt.
Z praktického hlediska tažná síla na obvodu kola Fo je definována součtem všech
tažných sil dvojkolí hnacího vozidla Fk.
Tažná síla na háku
Tažná síla na obvodě kol Fkmax vyvolává v průběhu pohybu vozidla výkon, který je
možné rozdělit na dvě části. První se pohybuje na pohyb samotného hnacího vozidla a druhá
na pohyb dopravovaných vozidel (obr. č. 1.5.2). Část síly, která se využije na pohyb
dopravovaných vozidel, se podle jejího působení nazývá maximální tažná síla na háku
FHmax.
FH max = Fk max − GL .w
[N]
- 60 -
(1.5.2)
Obr. č. 1.5.2: Tažná síla na háku
Adhezní síla a vazba mezi kolem a kolejnicí
Při zkoumání mechanizmu vzniku tažné síly se předpokládá, že její velikost
nepřekročí velikost tažné síly na mezi adheze. Ve skutečnosti však vzniká stav, kde dochází
ke skluzu dvojkolí v místě dotyku kol s kolejnicemi. V průběhu skluzu může dojít
k mechanickému porušení vinutí trakčních motorů, porušení ozubených převodů a vzniku
přeskoku na elektrickém oblouku na kolektoru trakčního motoru. V momentu přerušení
skluzu vznikne prudký nárůst tažné síly a velké nebezpečí roztrhnutí vlaku.
Malé hodnoty skluzu a jeho náhodný vznik je nutné předvídat a kalkulovat z důvodu
správné technologie jízdy vlaku. Z toho vyplývá podmínka stability pohybu vozidel ve tvaru
základní podmínky vazby:
Fa max = GA .μ = Fk max
[N]
(1.5.3),
kde
Famax je adhezní tažná síla [N],
GA-adhezní tíha vozidla [N],
μ-součinitel adheze vyjadřující vztah největší tažné síly ke svislému zatížení dvojkolí
na kolejnici [-].
Poznání podstaty adheze umožňuje najít prostředky a způsoby zvyšování hmotnosti
vlaku, větší akcelerační schopnosti kolejových vozidel, zmenšování opotřebení kolejnic,
apod.
- 61 -
Na zabezpečení stability pohybu a spolehlivosti vazby mezi kolem a kolejnicí je
nezbytné, aby obvodové síly na obvodu otáčejících se kol hnacího vozidla nepřekročily
velikost adhezní tažné síly kol s kolejnicemi.
Součinitel adheze
Ukazatelem fyzikálního stavu adheze je součinitel adheze. Je definovaný jako podíl
tahové síly dvojkolí na mezi adheze a nápravové síly. Tento součinitel je také možné určit
z naměřených hodnot tažných sil na mezi adhezi. Vyjadřuje se vztahem:
μ=
Fa
G.ε
[-]
(1.5.4),
kde
Fa je největší naměřená tažná síla na obvodě kol na mezi adheze [N],
ε- součinitel využití adheze [-].
Hodnoty součinitele adheze μ závisí na těchto faktorech:
na rychlosti vozidla,
na vlastnostech materiálu kola a kolejnice,
na nerovnosti povrchu kolejnic,
na velikosti nápravového zatížení,
na průměru kola.
-
Jestliže předpokládáme, že veličina pružného skluzu je úměrná adhezní síle kola
(Carter) pak lze napsat rovnici:
Fa = K .
∂n
∂x
[N]
(1.5.5),
kde
K je empirický koeficient, který závisí na materiálu, průměru kola, velikosti
nápravního zatížení a geometrického tvaru zóny kontaktu kola a kolejnice [-],
∂n-elementární pružný skluz [m.s-1],
∂x-elementární posuv kola [m.s-1].
Za předpokladu, že zóna má eliptický tvar, který nahradíme rovnoběžníkem (Carter),
pak
μ = A+
K4
a + b.v
[-]
(1.5.6),
kde
A, K4, a, b jsou číselné hodnoty vypočítané při vyhodnocování měření pro každé
jednotlivé vozidlo.
- 62 -
Kromě dodnes platného vzorce (1.5.6) existují jiné vzorce známých autorů, např.:
Kother:
μ = 116 +
90000
42 + v
[-]
(1.5.7),
Cortius-Kniffler:
μ = 161 +
7500
44 + v
[-]
(1.5.8)
Z uvedených vzorců vyplývá obrovský rozptyl hodnot, který ještě navíc je variabilní
vzhledem k různým provozním podmínkám stavu kolejnice (viz tab. č. 1.5.1) a pro
různé typy vozidel při samotném rozjezdu (tab. č. 1.5.2).
Součinitel adheze μ [-]
Provozní podmínky
0,05 až 0,1
Kolejnice pokryté sněhem, ledovkou, listím, mazivem
0,25 až 0,28
Elektr. a motorová lokomotiva, vyšší hodnoty pro vozidla s vyrovnáváním
nápravových kol
Maximální hodnoty pro hnací vozidla rovnost soustavy a motorové hnací
0,3 až 0,33
0,35 až 0,38
vozidla
Maximální hodnotu pro trakce střídavé soustavy
0,4 až 0,5
Pokusné jízdy kolejových vozidel
0,5 až 0,7
Motorová trakce
Tab. č. 1.5.1: Závislost velikosti hodnoty součinitele adheze na provozních podmínkách
Přenos výkonu
Součinitel adheze μ [-]
Hydraulický
0,28 až 0,33
Elektrický
0,19 až 0,35
Hydraulický
0,09 až 0,3
Elektrický
0,16 až 0,25
Smíšený
0,23 až 0,4
Stejnosměrný
0,18 až 0,27
Střídavý
0,27 až 0,41
Smíšený
0,07 až 0,48
Stejnosměrný
0,09 až 0,46
Střídavý
0,1 až 0,11
Podzemní dráhy
Stejnosměrný
0,11 až 0,21
Tramvaje
Stejnosměrný
cca. 0,2
Druh hnacích vozidel
Motorová lokomotiva
Motorové jednotky
Elektrická lokomotiva
Elektrická jednotka
Tab. č. 1.5.2: Velikost součinitele adheze pro výpočet rozjezdu různých typů vozidel
- 63 -
Novější elektrické a motorové hnací vozidla se vyrábějí se všemi nápravami hnacími
a z tohoto důvodu pak celá tíha vozidla je rovná adhezní tíze vozidla a platí:
Gv = G A
[N]
(1.5.9)
Zmiňovaný součinitel adheze ε ze vztahu 1.3.26 vyjadřuje zmenšení teoretické tažné
síly díky různým konstrukčním a elektrickým vlivům vozidla. Obvykle velikost tohoto
součinitele využití adhezní tíhy je ε (0,9 až 0,96) a na velikosti má především vliv:
- klopný moment od tahové síly na háku,
- neodpružená hmotnost podvozku,
- zapojení trakčních motorů,
- kontaktní regulace,
- tvar charakteristiky trakčního motoru.
Prostředky na odstranění skluzu hnacích dvojkolí a obnovení adhezního stavu jsou:
-
pískování,
vypnutí pohonu,
přibrždění,
samočinné protiskluzové zařízení,
umělá změna klopného momentu.
Trakční charakteristika
Tažná síla hnacího vozidla není v celém rozsahu rychlostí, ve kterém vozidlo pracuje.
Dochází k změně jejího průběhu a právě tato změna je důležitým ukazatelem trakčních
vlastností příslušného vozidla. Závislost mezi tažnou silou a rychlostí při určitém výkonu
hnacího motoru nelze analyticky vyjádřit. Vyjadřuje se zpravidla graficky a nazývá se trakční
charakteristika (obr. č. 1.5.3). Trakční charakteristika je důležitým podkladem pro kapacitní
výpočty.
Trakční charakteristika se obvykle doplňuje o charakteristiku provozní, ve které jsou
zobrazeny křivky stálé spotřeby paliva, velikosti odebíraného elektrického proudu, účinnosti,
apod. Mezi základními třemi parametry trakční charakteristiky, tj. tažnou silou, rychlostí a
výkonem vozidla existuje vztah:
P=
F .v
3,6
[kW]
kde
F-tažná síla v [kN],
v-rychlost v [km.h-1].
- 64 -
(1.3.37),
Obr. č. 1.5.3: Trakční ideální charakteristika pro výkon P1 a P2
Z pohledu trakčního i energetického je nejvýhodnější, aby hnací vozidlo pracovalo
v celém rozsahu rychlosti při plně využitém, stálém provozním výkonu, tzn. základní
požadavek, aby pro průběh funkce F=f(v), P=konst., pak F.v=konst. Jestliže je splněna tato
podmínka, pak trakční charakteristika má tvar rovnoosé hyperboly, často nazývaná trakční
hyperbola. Různým výkonům pak odpovídají různé rovnoosé hyperboly (obr. č. 1.5.3).
Výhoda této charakteristika spočívá v tom, že při malých rychlostech vyvíjí hnací
vozidlo vysokou tažnou sílu potřebnou pro zrychlení vozidla.
Požadovaný ideální průběh trakční charakteristiky se u hnacích vozidel snažíme
dosáhnout různými konstrukčními úpravami. Pokud jde o velikost tažné síly, tato síla je u
vozidel různých trakcí omezena následujícími činiteli:
- parní trakce
- adheze,
- výkon parního kotle,
- výkon parního stroje,
- motorová trakce
- adheze,
- výkon hnacího motoru,
- schopnost zařízení pro přenos výkonu na hnací dvoukolí,
- elektrická trakce
- adheze,
- výkon trakčních elektromotorů s ohledem na jejich oteplení.
- 65 -
Při rozjezdu vlaku se nesmí okamžitě uplatňovat maximální tažná síla daná tažnou
silou na mezi adheze z důvodu možnosti vzniku nebezpečných rázů. Z tohoto důvodu je
nutné, aby tažná síla při rozjezdu a zvyšování rychlosti stoupala postupně. Její průběh je dán
zvláštních režimem vyjádřených tzv. rozjezdovou charakteristikou. Rozjezdová
charakteristika omezuje využití tažné síly v oblasti rozjezdových rychlostí.
Koreffův diagram
Korrefův diagram (obr. č. 1.5.4) ve spolupráci s grafickým vyjádřením teoretické
trakční charakteristiky (obr. č. 1.5.4) určuje maximální možné převýšení k zabezpečení
bezproblémové jízdy lokomotivy dané trakční charakteristikou s vozidly s požadovanou
rychlostí. Při vyhledávání hodnot v Koreffově diagramu se postupuje následovně:
1.
Jsou stanoveny počáteční podmínky: trakční charakteristika hnacího vozidla
(obr. č. 1.5.3), hmotnost lokomotivy mL (GL), hmotnost zátěže mz (Gz) a
znalost vozidlového odporu nebo jeho přibližná hodnota wv (tab. č. 1.3.1).
2.
Po zvolení měřítka se vynesou hodnoty GL, Gz (vodorovný směr) a za
předpokladu využití max. hodnoty FHmax
statické odpory Gz.wv (svislý
směr) a odtud je možné odečíst celkové jízdní odpory v úklonu (GL+Gz).i a
následně odečíst hodnotu max. možného sklonu imax pro FHmax.
3.
Pro libovolný sklon i1 odečíst hodnoty FH1 a v1, apod.
Obr. č. 1.5.4: Koreffův
diagram zátěže
- 66 -
2. Doprava lanem
Doprava lanem se realizuje pro vodorovnou a úklonnou dopravu po kolejových i
speciálních tratích, zavěšených nosnících a nosném laně. Až donedávna patřila doprava
lanem mezi nejpoužívanější dopravní systémy především v hornictví. Zachovala se
především pro různé druhy pomocné dopravy v úklonu (doprava materiálu, odtěžení ražeb,
apod.).
Lana používaná pro dopravu hmot musí vykazovat nejméně šesti násobnou
bezpečnost vzhledem k největším tahům. Stejnou bezpečnost vzhledem k největšímu
statickému zatížení musí mít i všechna spojovací zařízení dopravních nádob s lanem. Při
dopravě v úklonu větším než 15° se musí používat ještě spojovacího zařízení.
Největší přípustná rychlost při dopravě lanem na vodorovných tratích je 1,5 m.s-1.
Při dopravě nekonečným lanem, kde se vozy připojují k lanu pomocí zámků pak 1 m.s-1. Na
úklonných tratích stanoví individuálně maximální rychlost případ od případu vedoucí útvaru
a tato rychlost bývá větší než výše uvedené hodnoty.
Doprava lanem může být realizována:
- otevřeným lanem (např. vrátky)
- nekonečným lanem (poháněcí stanice s třecím kotoučem)
Doprava otevřeným lanem
Nejběžnějším systémem dopravy lanem je doprava jedním lanem. Pomocí tohoto
systému jsou vozy taženy vrátkem pouze jedním směrem. Druhým směrem se musí
pohybovat po úklonu vlastní tíhou (obr. č. 2.1). Vyžaduje to takový úklon úklon tratě, aby
tíhová složka vozů a těživa překonala jízdní odpory, musí tedy platit:
ε > arctan wv
[°]
(2.1)
Obr. č. 2.1: Doprava jedním otevřeným lanem
v úklonu
- 67 -
Protože se doprava děje v úklonu, musí být tato úklonná dráha určitým způsobem
zabezpečena proti nežádoucímu ujetí vozů při jejich seřazování nebo při přetržení lana či
spojovacího zařízení.
Doprava dvěma lany (obr. č. 2.2) po dvou kolejích se rovněž provádí v úklonu. Ke
každému lanu je připojena jedna souprava vozů. Pohyb se děje současně po dvou kolejích
pomocí dvoububnového vrátku.
Obr. č. 2.2:
Doprava dvěma
lany po dvou kolejích: dvojčinná doprava (realizace také s úhlem)
Doprava lanem a protilanem (obr. č. 2.3) se používá na vodorovných nebo také mírně
úklonných tratích nebo při střídavém úklonu. Používá se dvou jednobubnových vrátků se
vzájemnou signalizací.
- 68 -
Obr. č. 2.3: Vodorovná doprava lanem a protilanem pro nebo střídavě doprava pod úhlem (dva
jednobubnové vrátky)
Doprava předním a zadním lanem (obr. č. 2.4) se rovněž používá pro vodorovné tratě
nebo pro střídavý úklon. K tomuto systému dopravy je zapotřebí dvoububnový vrátek
s nezávisle uloženými bubny a vratný kotouč. Tento systém byl prakticky vytlačen systémem
nekonečného lana.
Obr. č. 2.4: Doprava předním a zadním lanem
Doprava nekonečným lanem
Při dopravě nekonečným lanem se k pohonu používá poháněcí stanice s třecím kotoučem
(PS s TK). Tato doprava může být provozována jako jednočinná (obr. č. 2.5a) nebo dvojčinná
(obr. č. 2.5b).
- 69 -
Obr. č. 2.5: Doprava nekonečným lanem
Dvojčinná doprava je možná pouze do úklonu 7°. Třecí kotouče mohou být vedeny:
- širokou drážkou
- vícedrážkové
Třecí kotouče se širokou drážkou (obr. č. 2.6) mají drážku kruhovou. Pro zvýšení úhlu
opásání je lano ovinuto kolem kotouče dvakrát nebo třikrát . Lano nabíhá na větším
průměru a odbíhá na menším. Tím stále klouže ve směru tahu a dochází ke tření
jednotlivých omotků lana o sebe a k jejich postupnému opotřebovávání.
Obr. č. 2.6: Třecí kotouč se širokou drážkou
Bezpečnost proti prokluzu lana na třecím kotouči se určí dle vztahu
Fmax Fo (e n.μαG − 1)
ks =
=
≥ 1,25
F
F
[-]
(2.2),
kde n-počet půlomotků lana (n=1 pro úhel opásání 180°).
Vícedrážkové kotouče (obr. č.2.7) se pro provoz používají maximálně se třemi
oddělenými drážkami. Tyto kotouče musí pracovat s protikotouči (obr. č. 2.8), které však
nejsou hnané a proto obvodovou sílu nepřenáší.
Rozvinutý průběh sil za předpokladu
plného využití úhlů opásání αG1, αG2 a αG3. je znázorněn na obrázku č. 2.9.
Obr. č. 2.7: Vícedrážkový třecí kotouč
- 70 -
- 71 -
Také u vícedrážkových kotoučů se bezpečnost proti prokluzu lana určí dle vztahu
(2.2). Při použití vícedrážkových kotoučů nedochází k povrchovému opotřebovávání lana,
protože jednotlivé otočky se navzájem nedotýkají, avšak dochází ke zvýšení počtu ohybů
lana.
Obr. č. 2.8: Pohon s protikotouči
Obr. č.2.9: Průběh tahů u vícedrážkového kotouče
- 72 -
Jak je vidět z obr. č. 2.9 je měrný tlak lana v jednotlivých drážkách různý. Největší je
v drážce, kde lano z kotouče odbíhá. Z toho vyplývá nerovnoměrné opotřebování drážek, což
vede k tomu, že drážka u nabíhajícího lana má nejmenší průměr a drážka u odbíhajícího lana
má průměr největší (obr. č. 2.10). Tak se více lana odvinuje než navinuje, což způsobuje
zvětšení tahu mezi sousedními drážkami až do té míry, že se tento rozdíl vyrovná smeknutím
lana v drážce, což má za následek tvrdý ráz. Původní tah v laně klesne na hodnotu F0 .e μD .αG
a znovu stoupá až do té doby, než nastane další vyrovnání. Čím je rozdíl drážek větší, tím je
kratší časový interval mezi jednotlivými rázy, kterými trpí jak lano, tak celý pohon.
Obr. č. 2.10: Opotřebení drážek kotouče vlivem sil
Pro snížení těchto nebezpečných tahů jsou protikotouči vždycky uloženy tak, aby se
mohly volně proti sobě natáčet. Jejich průměr se volí 0,9 násobku průměru třecích kotoučů.
Vratný kotouč je současně napínací. Jeho průměr se volí asi o 10 % menší než je
průměr odpovídajícího hnacího kotouče.
Předpětí lana FZ se orientačně určí ze vztahu pro dodržení maximálního průhybu lana
(z obr. č. 2.11):
FZ =
Fz mL .g.L2
=
2
8. ymax
[N]
kde
mL-měrná hmotnost lana (N)
L- rozteč mezi čely vozů (m)
ymax- dovolený průvěs (m).
- 73 -
(2.3),
Obr. č.
2.11: Umístění lana
Podle umístění lana rozeznáváme lanové dráhy s lanem vrchním (obvyklejší) nebo
s lanem spodním (obr. č. 2.11).
U tohoto způsobu dopravy se používá lan klasické konstrukce 6(1+6)+v dle
ČSN 02 4320 nebo častěji 6(1+6+12)+v ČSN 02 4322, jejichž volné konce se navzájem
nesplétají.
Bezpečnost lana pro úklonnou dopravu je kb ≥ 6, pro vodorovnou kb ≥ 4. Vzhledem
k maximálnímu zatížení je nutné použít graficko-početní metodou.
Dopravované vozy se nejčastěji připojují k lanu pomocí centrické vidlice (obr. č.
1.5.12) upevněné k čele vozu.
Obr. č. 2.12: Centrická vidlice
- 74 -
Tíhou lana jsou vyvolány normálové síly FN, které vyvolají tření mezi lanem a vidlicí
FN =
mL .L.g
2. sin
α
[N]
(2.4)
[N]
(2.5)
2
Normálová síla FN vyvodí třecí sílu FT
FT = 2.FN .μ D =
mL .L.g
sin
α
.μ D
2
Tato třecí síla musí být větší než jsou jízdní odpory.
Pro zlepšení přenosových schopností existuje celá řada možností úpravy tvarů
kotoučů, která vyplývá převážně z konstrukce drážek (obr. č.2.13) a z toho vyplývají
speciální úprava tření v těchto tvarovaných drážkách (2.6 a 2.7).
Obr. č. 2.13 Různé druhy drážek
- 75 -
Klínová drážka:
μK =
μ
sin
Polokruhová
μP =
γ
γ∈〈35°; 40°〉 [-]
(2.6)
2
4 μ (1 − sin β / 2)
π − β − sin β
kde
β-úhel podříznutí drážky, pro
β=0 ⇒μp=
β∈〈0 rad; π〉[-]
4μ
π
(2.7),
=1,273.μ
Uspořádání dvoububnového drážkového kotouče se systémem opásání lana je
znázorněno na obr. č. 2. 14.
Obr č. 2.14: Dva samostatné kotouče a jejich konstrukce
- 76 -
Rozdělení vícedrážkového kotouče se realizuje na 2-3 samostatné jednodrážkové
kotouče s pohonem se vsunutým mechanickým diferenciálem (viz. obr. č. 2.15) nebo
hydraulickým diferenciálem.
Obr č. 2.15: Dva samostatné kotouče se symetrickým mechanickým diferenciálem
Pro větší výkony se využívá pro pohon rotační hydgenerátor a hydromotory (obr. č.
2.16).
Obr č. 2.16: Pohon třech kotoučů pomocí třech hydromotorů, které pohání hydrogenerátor
- 77 -
3. Vrátky
Vrátky slouží k dopravě a přemísťování materiálů a to jak na vodorovných, tak na
úklonných tratích.
Podle způsobu použití lze vrátky rozdělit do dvou skupin:
- těžní (pro vodorovnou dopravu a dopravu s úhlem)
- vlečné (pro vodorovnou dopravu)
3.1 Těžní a vlečné vrátky
Těžní vrátky jsou určeny k přemísťování nákladů na vodorovných i úklonných tratích.
Musí být vybaveny dvěmi brzdami, z nichž jedna musí být závažová, v klidovém stavu
zabržděna, za jízdy odbrzďována strojníkem (obr. č. 3.4).
Vlečné vrátky jsou určeny k dopravě a přemísťování nákladů pouze na vodorovných
tratích. Koncepčně bývají provedeny obdobně jako těžní vrátky, nejsou však vybaveny
závažovou brzdou.
Jak těžní, tak vlečné vrátky mohou mít konstrukčně umístění elektromotoru buď
kolmo k ose vrátku (obr. č. 3.1) nebo rovnoběžně k ose (obr. č. 3.2).
Obr. č. 3.1: Uspořádání elektromotoru
vrátku kolmo k ose vrátku
Obr. č. 3.2: Uspořádání elektromotoru
vrátku rovnoběžně k ose vrátku
- 78 -
Kinematické schéma těžního vrátku VTA 1000 je patrné z obr. č. 3.3. Vrátek je tvořen
rámem (1), motorem (2), patřičnými převody (3), bubnem a lanem (4) a ovládacími
zařízeními včetně brzd.
Obr. č. 3.3: Vrátek VTA 1000
Obr. č. 3.4: Vrátek bržděný pomocí
ELDRO
3.2 Konstrukce a návrh rozměru vrátku
Rám vrátku bývá svařované konstrukce a slouží pro uchycení ostatních částí vrátku.
K pohonu se používá elektromotoru s kotvou nakrátko nebo vzduchového motoru. Současně
vyráběné vrátky nepoužívají rozběhovou spojku (rozběh se řídí prostřednictvím planetového
převodu převážně u větších vrátků) a proto mají vrátky se vzduchovým pohonem plynulejší
rozjezd.
- 79 -
Buben vrátku je uložen na ložiskách na hřídeli bubnu, uloženém na ložiskách v rámu.
Převod od motoru na buben je proveden čelními a planetovými ozubenými koly. Brzdy jsou
většinou dvě, jedna působí přímo na věnec bubnu a je ovládána závažím, druhá j ovládána
pákou působící na věnec planety pro plynulou regulaci tahu v laně.
Délka navinutého lana na buben musí být volena tak, aby na bubnu zůstaly vždy
nejméně 3 otočky lana, je-li dopravní nádoba ve své spodní krajní poloze. Vzhledem k úspoře
místa se lana navíjí na buben v několik vrstvách na sebe. Při dopravě osob musí být navíjení
lana na buben mechanicky usměrňováno. Průměr lana se stanoví z maximálního tahu vrátku.
Obr. č. 3.5: Buben vrátku a jeho obvodové
rychlosti
Návrh rozměru vrátku je řízen následujícími empirickými vztahy (3.1 až 3.6), které se
řídí jmenovitým průměrem lana d (mm) a délkou L (mm)
Průměr bubnu
D ≥ 15.d
Počet vrstev navinutého lana
nv ≤ 0,35.
Střední průměr navinutí
[mm]
(3.1)
[-]
(3.2)
DS = D + nV .d
[mm]
(3.3)
Průměr navinutí
Dn = D + 2nV .d
[mm]
(3.4)
Průměr až k okraji
DČ = Dn + 3d
[mm]
(3.5)
Šířka bubnu
d 2L
B=
0,785(Dn2 − D 2 )
[mm]
(3.6)
- 80 -
D
d
Střední tah vrátku (pro střední průměr vinutí lana DS na bubnu-obr. č. 3.5) se určí ze
vztahu:
FS = 10 3.
Pη
vS
[N]
(3.7),
[m.s-1]
(3.8),
kde
P- výkon motoru (kW)
η-účinnost převodu (-)
vS- střední rychlost lana (m.s-1)
Střední rychlost lana je dána vztahem:
vS =
π .nm .DS
60.i p
kde
nm-otáčky motoru (min-1)
ip-přev. poměr
Při navíjení poslední vrstvy lana je jeho rychlost maximální a určí se za vztahu:
vmax = vS .
Dn − d
DS
[m.s-1]
(3.9),
Při této maximální rychlosti vmax odpovídá minimální tah vrátku
Fmin = 10 3.
P.η
vmax
[N]
(3.10),
[m.s-1]
(3.11),
[N]
(3.12),
Oproti tomu rychlost lana při prázdném bubnu je minimální
vmin = vS .
D+d
DS
a odpovídá maximálnímu tahu vrátku
Fmax = 10 3.
P.η
-kontrola lana
vmin
V tab. č. 3.1 je možné nalézt hlavní parametry některých používaných těžních a
vlečných vrátků.
- 81 -
těžní
vlečné
VT
Parametr
A
100
VT 25
VT 10
P1
P2
P3
VV 630 (se
P4
VB 585
vzduchovým
pohonem)
0
Střední tah v laně (kN)
10
10
25,6 / 16,1
27 / 17
5,85
6,8 / 4,5
Střední rychlost lana (m.s-1)
1,2
1,0
1,15 / 1,82
1,07 / 1,69
0,87
0,73 / 1,09
Výkon motoru (kW)
13
13
40
40
6
6
Průměr lana (mm)
14
14 / 12,5
16
16
10
10
Max. navinutá délka (m)
250
350 / 440
800
520
100
120
Vlastní hmotnost bez lana (kg)
885
1760
271
361
Tab. č. 3.1: Hlavní parametry některých používaných těžních a vlečných vrátků
- 82 -
4. Visutá lanová dráha
Dopravní zařízení, kde vozidla tažená nekonečným lanem pojíždějí po nosném
laně anebo jsou přímo tažným lanem nesena. Těžištěm vozidel je pod nosním a tažným
lanem.
V prvém případě hovoříme o dvoulanové visuté dráze, ve druhém případě o
jednolanové visuté dráze.
V obou případech doprava buď nepřetržitá (dvojčinná) nebo vratná (jednočinná)použití převážně u jednolanových systémů.
Nosné lano je jednopramenné podepřeno botkami nad terénem. Na jednom konci je
zakotveno, na druhém napínáno závažím. Každé lano je vedeno samostatně.
Tažné lano je nekonečné lano, spojené s vozidly pomocí svěr.
Protože je tažné lano nekonečné, je pohon zajišťován poháněcí stanicí s třecím
kotoučem, obdobného provedení jako u dopravy nekonečným lanem. Potřebnou obvodovou
sílu F nejlépe určíme graficko-početní metodou a pak potřebný výkon motoru ze známého
vztahu:
P=
F .v
103.η
[kW]
(4.1),
kde rychlost volíme v rozmezí 1,5 až 2 m.s-1.
4.1 Výpočet nosného lana
Nosné lano je počítáno na tah a ohyb a z tohoto ohledu je potřeba určit maximální
tahové a ohybové napětí a toto lano na toto napětí zkontrolovat. Platí tedy:
σ = σ t + σ o max
[N]
- 83 -
(4.2),
Obr. č. 4.1: Výpočet lanové dráhy
Tahová síla Ft v laně je dána:
⎛G
⎞
Ft = Gz + mLN ..g .H − LV .⎜⎜ V + g .mLN + g .mLT ⎟⎟.μ1 − GZ .(μ1.sin ε + μ 2 ) [N]
⎝ lo
⎠
kde
mLN-měrná hmotnost nosného lana
mLT-měrná hmotnost tažného lana
GZ = g.(mV + mQ )
GZ- tíha vozíku
(4.3),
[kg.m-1]
[kg.m-1]
[N]
μ1- součinitel tření mezi lanem a úložným sedlem
μ1=0,16 pro uzavřené lano a ocel (litina) sedla
μ1=0,2 pro otevřené lano a ocel (litina) sedla
μ2- součinitel tření na odchylovaném sedle (kladce)=0,05
lo-rozteč vozíku
[-]
[-]
[m]
Tažné napětí v laně je tedy (z 3.3):
σt =
Ft
S
[Pa, MPa]
- 84 -
(4.4),
Ohyb
Ohybové namáhání (obr. č. 3.2) je vyvoláno tíhou vozidla transformovanou na vodící
kola. Lano se působením kolového tlaku Fk a vlastní tíhou prohne a zaujme křivku, která se
bude asymptoticky blížit směru síly Ft. Horní dráty jsou namáhány na tlak, spodní na tah.
Mezi jednotlivými dráty se vyskytuje enormní tření, které je tím větší, čím je větší tlak drátů
na sebe (tím je větší σt).
Obr. č. 4.2: Výpočet nosného lana
Závislost poměru sil
Následkem tření se zamezuje posunu drátů v jejich ose. Jano se zde chová jako
dostatečně tuhý celek. Rozhodujícím kritériem je zde poměr Ft: Fk.
Pro větší ohybové napětí vlivem příčné síly se dá odvodit vztah
σ o max =
Fk
S
E
[Pa]
σt
kde
E- modul pružnosti materiálu lana (Pa),
S-jmenovitý průřez lana (mm2)
- 85 -
(4.5),
Pro délku působícího ohybového vlivu (obr. č. 4.2) se dá odvodit vztah:
J.E
Ft
κ= 4
[Pa]
(4.6),
[m4]
(4.7),
kde moment setrvačnosti lana J je určen:
J = k.
πd 4
64
Je-li rozvor vozidla rv ≥ κ je namáhání od tažné příčné síly nezávislé
Je-li rv < κ vlivy jednotlivých sil se sčítají, ale nedochází k rozdílu od 0-σomax (únava)
Bezpečnost lana se volí čtyřnásobná.
Velikost napínací síly Gz se dá určit z rovnice pro maximální ohyb (obr. č. 4.1):
ymax =
Ft .( L / 2) 2
L.mZ
[m]
(4.8),
[kg]
(4.9),
a tedy
mZ =
Ft .L
4. ymax
Výpočet tažného lana u dvoulanových systémů se provádí podobně jako u grafickopočetní metody výpočtu tahových sil. Používá se šestipramenných lan SEAL ČSN 024340 a
ČSN 02 4347. U jednolanových systémů pak obdobně jako u nosného lana je namáhání na
tah a ohyb. Napínací síla se určí z podmínky maximálního dovoleného průvěsu.
- 86 -
5. Vozidla na pneumatikách
Pojem vozidla na pneumatikách zahrnuje vozidla určená k provozu na pozemních
komunikacích, nevázaná na koleje, určená především pro dopravu osob nebo nákladů, pro
zvláštní účely a služby. Nejdůležitější znak, vyjadřující schopnost výrobku plnit
požadované funkce po předepsanou dobu v předepsaných provozních podmínkách se
nazývá spolehlivost-je dána především úrovní jeho konstrukce a výroby. Obecně se
vozidla na pneumatikách rozdělují na vozidla poháněná vlastním motorem a přípojná
vozidla, která nemají vlastní zdroj a jsou tažena motorovým vozidlem. Podle konstrukce
lze vozidla rozdělit na:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
s pevnou korbou,
přívěsové,
s výklopnou korbou a
návěsy.
Dle hmotnosti lze vozidla rozdělit na:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
malá-do 20 t,
střední-20 až 40 t,
velká 40 až 75 t,
velmi velká 75 až 200 t.
Vozidla na pneumatikách jsou charakteristická následujícími nevýhodami, které
omezují jejich využití. Jedná se o:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
malý dopravní výkon,
velkou vlastní hmotnost,
malou životnost,
velkou poruchovost,
malou produktivitu práce.
Automobilem je motorové vozidlo, které má 4 nebo více kol (tzv. dvoustopá a
vícestopá vozidla). Automobily jsou zpravidla poháněny tepelným motorem (zpravidla
spalovacím), také však mohou být poháněny elektromotorem (elektromobily) nebo
vodíkem i vázána k trolejbusovému vedení (např. trolejbusy). K automobilům patří i
tříkolová vozidla s větší pohotovostní hmotností než 400 kg.
Osobní automobily a autobusy jsou určeny k přepravě osob a jejich zavazadel,
základní rozdíl mezi nimi je v počtu přepravovaných osob včetně řidiče. Do devíti osob
jde o osobní automobil, při větším počtu sedadel o autobus. Podle směrnice EHS se tato
vozidla označují jako vozidla kategorie M1, tj. vozidla užívaná pro dopravu osob a
- 87 -
nejvýše osmi sedadly mimo sedadla řidiče, kategorie M2, tj. vozidla užívaná pro dopravu
osob s více než osmi sedadly mimo sedadla řidiče a jejichž hmotnost nepřevyšuje 5 tun a
kategorie M3, což jsou vozidla užívaná pro dopravu osob s více než osmi sedadly mimo
sedadla řidiče a jejichž hmotnost je vyšší než 5 tun.
Nákladní automobily jsou automobily určené zejména pro dopravu nákladů.
Nákladní automobil, jehož celková hmotnost nepřesahuje 3,5 tuny se označuje jako malý
nákladní automobil (dodávkový automobil). Podle směrnice řady EHS se nákladní
automobily označují kategorií N1, to jsou vozidla jejichž maximální hmotnost
nepřevyšuje 3,5 tuny, kategorie N2 s maximální hmotností od 3,5 do 12 tun a kategorie
N3, s vyšší maximální hmotností než 12 tun.
Speciální
automobily
jsou
určené
pro
vykonávání
pracovních
úkonů
(vyprošťovací, jeřábové, zdravotní, ….).
Tahače jsou automobily určené výlučně pro tažení přípojných vozidel, se kterými
tvoří jízdní soupravu. Ta může být podle druhu přípojného vozidla přívěsová, závěsová
(obr. č. 5.1). Jízdní soupravu skládající se z tahače návěsu s návěsem a z přívěsu je
souprava kombinovaná. Dále může být jízdní souprava mostová. U přívěsové soupravy
se na tažné vozidlo přenáší pouze nepodstatná část hmotnosti přívěsu, zatímco u
návěsové soupravy se podstatná část hmotnosti návěsu přenáší na tahač. Typickou
součástí mostové soupravy je mostový nosník a na něm spočívající náklad působí jak na
tahač, tak na přípojné vozidlo. Spojení mezi vozidly může zprostředkovat i náklad
z jednoho kusu.
Problematiku „druhu vozidel“ zpřesňuje legislativní dokument: Vyhláška č. 102
Ministerstva dopravy ČR ze dne 31.5.1995 „O schvalování technické způsobilosti a
technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích“ ,
kterou vydalo Ministerstvo dopravy podle paragrafu 16 zákona č. 38/1995 Sb.
K dalším normám definující základní pojmy a údaje o vozidlech patří ČSN 30
0024 Druhy silničních vozidel, ČSN 30 0025 Základy části a ústrojí vozidel,
příslušenství, výstroj a výbava, ČSN 30 0026 Rozměry vozidel, ČSN 30 0027 Motory
vozidel, ČSN 30 0029 Údaje o vozidle, ČSN ISO 1176 Hmotnosti-terminologie a kódy,
ČSN 30 0031 Díly vozidel.
- 88 -
Obr. č. 5.1: Druhy jízdních souprav
V rámci sjednocování mezinárodních norem jsou státní normy postupně
novelizovány ve smyslu mezinárodních norem ISO a směrnic EHS. Soustava ČSN byla
převzata i ČR, která na jejím základě postupně vytváří soustavu českých norem.
- 89 -
Terramechanika
Terramechanika se v užším smyslu zabývá studiem jevů, jež existují ve styku jízdního
ústrojí vozidla s terénem
(obr. č. 5.2). K nim patří zejména vytváření stopy a s ním
související jízdní odpor a stlačování půdy, záběrové vlastnosti jízdního ústrojí a flotace
vozidla. V širším smyslu je terramechanika mechanikou systému vozidlo-terén a zabývá se
nejen výše zmíněnými jevy, ale obecně otázkami pohybu vozidla v terénu (např. otázkami
průjezdnosti, mechanikou jízdy a zatáčením vozidla, mechanikou hrnutí půdy, apod.). Tento
relativně nový obor vznikl v průběhu druhé světové války.
Obr. č. 5.2: Tlaky na vozovku od pneumatiky
Kontaktní síla na povrch vozovky od pneumatiky:
FK = ∫ p.dS = pS .S
[N]
(5.1),
[mm]
(5.2),
S
Deformace vozovky od pneumatiky vozidla je dána:
y=
(4 ÷ 6%) .D
100
K
kde DK je průměr kola vozidla v mm.
- 90 -
Bernstein definoval velikost středního tlaku ps huštění pneumatik
pS = kt . y n
[MPa]
(5.3),
kde součinitel kt závisí na stavu a druhu podloží a n je součinitel závislý přímo na
stavu podloží: pro plastické podloží n=0,5; pro tuhé podloží n=1
Tečné napětí je dáno Coulombovým zákonem:
τ = τ K + σ . tan ϕ
[MPa]
(5.4)
[MPa]
(5.5)
[N]
(5.6)
[-]
(5.7)
Tečné a kohezní napětí (drží zeminu) je možné vyjádřit:
τ = τ K + pS .μ
Vynásobením vztahu (5.5) kontaktní plochou S
τ{
.S = τ K .S + μ .S . pS
{
FA
FK
Vydělením vztahu (5.6) dostáváme:
FA
S
= μA = τ K . + μ
FK
FK
{
1 / pS
Součinitel adhezního tření mezi pneumatikou a stavem povrchu vozovky:
μA =
τK
pS
+μ
[-]
(5.8),
kde
μA…..0,5 až 0,73 na suché a čisté vozovce,
0,1 až 0,19 na zledovatělé vozovce.
Vozidlové odpory (obr. č. 5.3, (5.9)) jsou dány součtem valivého odporu, odporu
vznikajícího z deformaci pneumatiky a odporu z čepového tření plynoucí z konstrukce a
uložení kol vozidla.
wV =
1
GV
⎡
p
FK4
+ C2 3
⎢C1.FK .3
ε p .DK
p.DK2
⎢⎣
⎤
⎥
⎥⎦
- 91 -
[-]
(5.9)
wv
15 až 20.10-3 pro asfalt, beton
20 až 25.10-3 makadan
25 až 78.10-3 měkký terén
Obr. č. 5.3: Tlaky na vozovku od pneumatiky
- 92 -
6. Výtahy
Výtahy umožňují v objektech a budovách komunikaci mezi jednotlivými podlažími
ve směru vertikálním. Uvedená konstrukce stavebně strojní povahy má umožňovat bezpečný,
pohodlný a energeticky nenáročný pohyb osob a předmětů ve směru vzestupném a
sestupném. Děje se to převážně v přímé návaznosti na vodorovné cesty nebo komunikace
v objektech nebo budovách různé povahy a budovách konstrukčního provedení i v budovách
sloužících k rozmanitým účelům. Ve vyšších nebo výškových budovách doplňují výtahy
popř. i pohyblivé schody, schodiště. Únikové, nouzové a někdy také požární schodiště slouží
např. k evakuaci osob nebo předmětů. U výškových budov je předepsán požární výtah pro
zásahové jednotky hasičského sboru.
Vzhledem k uvedené funkční návaznosti je výtah umístěn společně se schodištěm do
svisle vymezeného prostoru na základě dispozičních požadavků.
6.1 Historický vývoj výtahů
Konstruktérem prvního výtahu v dějinách (r. 236 př. n. l.) byl řecký matematik a fyzik
Archimédes. Klec jeho výtahu byla zavěšena na konopném laně a vrátek měl ruční pohon.
První výtah, kde bylo použito účinku protizávaží, byl postaven podle návrhu královského
stavitele Valayera a zaveden roku 1743 do soukromého apartmá francouzského krále Ludvíka
XV. ve Versailleském paláci. Teprve od poloviny 19. století dochází k rozvoji výtahů. Roku
1830 byl v Derby (Anglie) uveden do provozu nákladní výtah poháněný parním motorem.
Výtah v moderním pojetí, vybavený plošinou vedenou vodítky a bezpečnostním zařízením,
které mělo zabránit pádu při přetržení nosných orgánů, se však objevil až v r. 1853. Jednalo
se o výtah vybavený primitivním zachycovacím ústrojím podle vynálezu Elishy Gravise
Otise a určený pro dopravu břemen a obsluhy.
V roce 1854 Otis provedl veřejnou demonstraci v Crystal Palace v New Yorku tím,
že vyjel svým výtahem do určité výšky a poté přeřízl nosné lano, aby tak demonstroval
bezpečnost svého stroje. Tento výtah měl bezpečnostní systém založený na funkci západek
v kleci, které jsou v okamžiku přetržení lana pružinou donuceny zapadnout do vrubů
připevněných na stěně výtahové šachty. Dne 23. března 1857 E.G. Otis instaloval slavnostně
první osobní výtah v obchodním středisku EV Haughwout & Co. v New Yorku. Zařízení
bylo poháněno parním strojem, sloužilo v pětipodlažní budově a bylo opatřeno vybavením
schopným zdvihnout 450 kg rychlostí 0,2 m/s. Roku 1867 Francouz Leon Edoux předvedl na
- 93 -
Všeobecné výstavě v Paříži zdvihací zařízení, které používalo tlaku vody k pohonu klece
připevněné ne hydraulickém pístu. Výtah byl rozšířen po celém světě, zvláště po znásobení
rychlostí možností při zdokonalení systému, který byl pojmenován „nepřímé působení“.
V tomto systému píst přímo nepohyboval klecí, ale prostřednictvím soustavy kladek nebo
ozubnice a bubnu, který navíjel nebo odvíjel jedno nebo více lan, na kterých byla zavěšena
klec. Současně zahájila Evropa svůj pokrok v průmyslu vertikální dopravy. Roku 1874 byla
založena společnost Schindler a v roce 1876 byl postaven první výtah pro londýnský
poštovní úřad. Ke stále většímu rozšiřování parních výtahů dochází do 80. let 19. stol.
s růstem velkých měst s mnohapatrovými budovami.
Hydraulický výtah byl poprvé použit r. 1878. Používal vodu místo páry, aby
zjednodušil konstrukci a aby dosáhl větší rychlosti a výšky. Hydraulické výtahy byly
vylepšovány až bylo dosaženo velkých rychlostí zdvihání a velkých výšek. Roku 1908 byl
instalován výtah v City Investment Building v New Yorku s kapacitou 1 360 kg, výškou 108
m a rychlostí 3 m/s.
Zásadní změnu v konstrukci výtahů přinesl vynález elektrického pohonu. V roce
1880 Werner von Siemens vystavuje na průmyslové výstavě v Mannheimu první výtah
s elektrickým pohonem. První elektrický výtah se objevil roku 1889 v Demarest Building
v New Yorku. Byla to přímá modifikace jednoduchého výtahu s bubnem poháněným párou,
pouze zdroj energie byl nahrazen elektrickou energií prostřednictvím motoru na stejnosměrný
proud. Tento výtah sloužil do roku 1920, kdy byla budova zdemolována. První výtah
s tlačítkem pro automatické přivolávání byl zkonstruován v roce 1894.
Elektrický výtah byl úspěšný už od svých úplných počátků pro jeho nižší konstrukční
náklady a náklady na provoz, ale měl nevýhodu v malé přesnosti zastavování. Tento
nedostatek byl úplně odstraněn konstrukcí Ward Leopardových skupin pro regulaci rychlosti,
které jsou využívány i v současnosti.
V roce 1900 bylo ovládání řízení pomocí lana nahrazeno ovládáním pomocí tlačítek.
Ward Leopard systém byl zaváděn v období od roku 1910 do roku 1930, kdy dosahoval
rychlosti do 2 m/s a vytvořil cestu moderním výtahům.
S rozvojem elektroniky dochází k rozvoji a využití paměťových prvků uplatňovaných
také u výtahů. Tyto prvky registrují všechny povely a vyřizují je tak, aby cestující byli
- 94 -
odbaveni do žádaných podlaží v nejkratším možném čase bez ohledu na pořadí, v jakém byly
povely zadány.
V naší republice byl postaven první výtah firma Breitfeld-Daněk (předchůdce dnešní
ČKD) v roce 1876 pro pivovar v Litoměřicích. Další firma instalující hydraulické výtahy
byla firma Prokopec a první elektrický výtah s jednoduchým tlačítkovým řízením
zkonstruovala firma A. Stiegler v hotelu Modrá hvězda. Do konce roku 1948 projektovaly a
stavěly firmy ve sdružení výrobců výtahů, zejména ČKD Praha, firmy B. Červenka, M.
Klapka, J. Prokopec, J. Schliegl a další, později Závody přesného strojírenství n.p. a od roku
1963 Transporta Chrudim.
6.2 Definice výtahu
Výtah je strojní zařízení sloužící k zdvihání a spouštění osob nebo předmětů mezi
dvěma či více stalými místy ve směru vertikálním. U výtahu s přerušovaným pohybem
probíhá nastupování a vystupování osob nebo nakládání a vykládání předmětů při
stojící kleci-za klidu. Výtahy s plynulým nebo nepřetržitým pohybem umožňují nástup
a výstup osob (nákladu) za jízdy (výtahy páternosterové). Norma EN-81 nedovoluje
výrobu oběžných výtahů.
Uvedená konstrukce stavebně strojní povahy má umožňovat bezpečný, pohodlný a
energeticky nenáročný pohyb osob a předmětů ve směru vzestupném a sestupnému.
Pohon výtahů obecně je mechanický. Pohon zařízení nebo stroj může být podle
požadavku ovládáno strojními mechanismy starší nebo nové, moderní konstrukce. Výtahy lze
v podstatě zařadit mezi stroje zdvihací. Proto může být pohon uskutečněn potenciálně, např. i
lidskou silou. V průběhu let zaznamenal vývoj výtahů řadu poháněcích mechanismů. Proto
lze mluvit o výtazích ručních, parních, pneumatických, hydraulických a dnes převážně
používaných výtazích elektrických.
Zařízení výtahů se dnes v podstatě skládá z elektrického pohonu, dále ze všech
zařízení
souvisejících
s ovládáním
výtahů
a
z elektrických
přístrojů
silnoproudé
elektrotechniky. Zde patří taky výtahové elektrické a elektronické přístroje (snímače polohy,
tlačítkové ovládače, přístroje a zařízení s aplikací elektroniky, rozvaděče sběrného a
skupinového řízení výtahu a další drobná zařízení). Moderní způsob řízení výtahů je pomocí
mikroprocesorových systémů. Systém je programovatelný a umožňuje optimální způsob
- 95 -
přidělování výtahů ve skupinových řízeních podle přivolávacích znaků. Mikroprocesorová
technika umožnila výrobu moderních systémů pro řízení výtahů mimořádně bezpečných a
spolehlivých. Komunikační a diagnostické prostředky umožňují podstatně údržbu a servis.
Tato technika předčí řídící systémy starších koncepcí, jako je reléová technika a
neprogramovatelná elektronika.
Volba typů výtahového pohonu závisí především na požadované rychlosti klece
výtahů, např. osobních a nákladních. Při dopravě osob je rozhodující plynulý rozjezd a
brždění a dosažení největší rychlosti v časech nejkratším. Dále je důležité fyziologicky
přijatelné zrychlení a zpomalení pro člověka. Požadované zrychlení (max. provozní
zrychlení) např. při rozjezdu klec výtahu je dáno fyziologicky přijatelnou hodnotou pro
člověka v rozmezí 1,8 až 2,0 m.s-2. Vliv zrychlení na člověka závisí na hodnotě zrychlení,
časovém trvání, vektoru zrychlení ve vztahu k poloze lidského těla, funkčního vztahu
lidského organismu a dalších činitelích.
Důležité je také dodržet přípustný (dovolený) rozdíl úrovně podlahy klece a stanice
při zastavení výtahu. Pro udržení výtahové klece v rovnoměrném svislém pohybu stačí
zpravidla správně navrhnout hmotnost protizávaží. Běžně to bývá poloviční hodnota
hmotnosti klece včetně užitné hmotnosti počtu osob v prostoru klece.
6.3 Rozdělení výtahu podle pohonu, nosnosti a jmenovité
rychlosti (ČSN ISO 4190-1)
Výtahy v budovách se dělí podle pohonu do těchto hlavních skupin:
-
s elektrickým pohonem,
s hydraulickým pohonem,
s pneumatickým pohonem.
Výtahy s elektrickým pohonem se podle normy ČSN ISO 4190-1 dělí déle do
následujících tříd:
-
třída I-výtahy určené pro dopravu osob;
-
třída II-výtahy určené převážně pro dopravu osob, ale mohou se v nich
přepravovat i náklady; od výtahů třídy I a III se liší v podstatě vnitřní úpravou
klece;
-
třída III- výtahy určené pro dopravu lůžek;
-
třída IV-výtahy určené především pro dopravu nákladů, které jsou obvykle
doprovázeny osobami,
- 96 -
-
třída V-malé nákladní výtahy-zde musí být splněna podmínka nepřístupnosti
osob, rozměry klece nesmějí být větší než: plocha podlahy 1 m2, hloubka 1 m,
výška 1,2 m (výška větší než 1,2m je dovolena, jestliže se klec skládá z několika
oddílů, z nichž každý splňuje uvedené požadavky).
Základními parametry výtahu jsou nosnost a jmenovitá rychlost.
Nosnosti výtahů jsou: 320, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500 kg.
Jmenovité rychlosti se vyskytují v řadě: 0,4 (pouze pro hydraulické výtahy); 0,63;
1,00; 1,60; 2,50 m.s-1 (1,60 a 2,50 m.s-1 pouze pro elektrické výtahy).
Dalšími doplňujícími parametry, které blíže určují typ výtahu jsou především:
-
zdvih výtahu a počet stanic,
rozměry šachty, klece a strojovny,
napětí elektrické sítě,
hustota spínání a zatěžovatel,
druh řízení výtahu,
provedení a ovládání šachetních dveří,
umístění výtahu v budově a druh prostředí v budovách.
- 97 -
6.4 Základní rozměry pro elektrické a hydraulické výtahy
podle příslušných norem ČSN ISO 4190-1
Vnitřní rozměry šachty
Pro samostatné výtahy jsou uvedeny v příslušných tabulkách,
Pro skupinu výtahů umístěných vedle sebe ve společné šachtě
-
je celková šířka rovna součtu šířek jednotlivých šachet plus součet přepážek mezi
šachtami (šířka přepážky je min. 200 mm),
-
je hloubka šachty rovna hloubce stanovené pro jednotlivé výtahy,
-
hloubka prohlubně se stanoví podle nejrychlejšího vtahu ve skupině,
-
minimální výška nad nejvyšším podlažím se stanoví podle nejrychlejšího výtahu
ve skupině.
Svislá vzdálenost stanic
Minimální vzdálenost stanic mezi dvěma následujícími stanicemi s ohledem na
umístění šachetních dveří je :
-
2450 mm pro šachetní dveře vysoké 2000 mm,
-
2550 mm pro šachetní dveře vysoké 2100 mm.
Minimální hloubky nástupiště
Výtahy I. třídy-převážně určené pro bytové domy.
U elektrických výtahů se doporučuje umístit nejvýše čtyři výtahy vedle sebe.
Umístění výtahů kolmo k sobě se nedoporučuje.
U hydraulických výtahů se doporučuje umístit nejvýše dva výtahy vedle sebe se
společným řízením.
Výtahy I. třídy (nevztahuje se na bytové domy), II. a III. třídy.
Jednotlivé výtahy nebo výtahy ve společné šachtě mohou být umístěny vedle sebe a to
- 98 -
nejvýše čtyři výtahy se skupinovým řízením. U skupiny se čtyřmi výtahy se skupinovým
sběrným řízením náležející k jiné třídě než III. je hloubka nástupiště min. 2,4 m.
Výtahy umístěné proti sobě mohou být nejvýše čtyři vedle sebe se skupinovým
sběrným řízením. U skupiny výtahu se skupiny sběrným řízením jiné třídy než III. je
hloubkou nástupiště max. 4,5 m.
Rozměry strojoven pro elektrické výtahy
Výtahy se společných šachtách
Výtahy I. třídy určené převážně pro bytové domy.
Minimální ploch společné strojovny
- pro výtahy se stejnou nosností je rovna součtu minimálních ploch požadovaných pro
jednotlivé výtahy,
- pro dva výtahy s různou nosností je rovna součtu minimálních ploch požadovaných
pro jednotlivé výtahy plus rozdíl mezi plochami šachet obou výtahů,
- pro skupinu více než dvou výtahů s různými nosnostmi je rovna součtu minimálních
ploch požadovaných pro jednotlivé výtahy plus součet rozdílů mezi plochou šachty
největšího výtahu a plochami šachet každého z ostatních výtahů.
Minimální šířka společné strojovny je rovna celkové šířce společné šachty plus boční
odpovídající rozšíření, které by měl samostatný výtah s největšími požadavky.
Minimální hloubka společné je rovna hloubce nejhlubší samostatné šachty plus 2,1 m.
Minimální výška společné strojovny je rovna výšce nejvyšší strojovny.
Výtahy I. třídy (nevztahuje se na bytové domy), II. a III. třídy.
Výtahy umístěné vedle sebe
- celková plocha A+0,9 A (a-1)
- minimální šířka b4+(a-1)(B3+200),
-minimální hloubka d4
Výtahy umístěné proti sobě:
- 99 -
- celková plocha A+0,9 A (a-1)
- minimální šířka b4+0,5 (a-1)(B3+200),
- minimální hloubka 2d2+vzdálenost mezi šachtami,
- minimální výška společné strojovny je rovna výšce nejvyšší strojovny,
kde
b4- je minimální šířka strojovny jednotlivého výtahu,
d4- minimální hloubka strojovny jednotlivého výtahu,
A- plocha strojovny jednotlivého výtahu,
b3- šířka šachty jednotlivého výtahu,
d2- hloubka šachty jednotlivého výtahu,
n- celkový počet výtahů; je-li počet výtahů lichý, a se zaokrouhluje na nejbližší vyšší
sudé číslo.
Rozměry strojovny hydraulických výtahů
Jednotlivé výtahy – viz. tab. č.6.1
Dvojice výtahů.
Minimální plocha společné strojovny pro dvojici výtahů
- se stejnou nosnosti je rovna součtu minimálních ploch požadovaných pro strojovny
samostatných výtahů, umístěných za šachtou,
- s rozdílnou nosností je rovna součtu minimálních ploch požadovaných pro strojovny
samostatných výtahů umístěných za šachtou plus rozdíl mezi plochami šachet obou
výtahů.
Účel
Bytové domy
- 100 -
Nebytové domy (úřady, banky,
hotely, atd.)
Nosnost
1)
kg
výška
dveře
A mm
B mm
mm
E mm
typ
1)
320
1000
630
800
900
1100 1100 1100
1000
1400 2100
2200
700
800
na 1 stranu sesuvné
1100
1350 1600
1400
2)
C mm
2)
1600
3)
v=0,4 m/s
v=0,63 m/s
v=1,00 m/s
4)
v=0,4 m/s
v=0,63 m/s
v=1,00 m/s
v=1,60 m/s
v=2,50 m/s
3)
1600
1800
1900
1400
2)
4)
2)
4)
4)
1600
1950
1750
2300
1100
2)
2600
1800
2100
1900
2400
2300
2600
2600
2)
1400
1600
2200
2)
1250
oboustranné
1600
1600
2)
2200
2)
3600
3600
3700
3800
P mm
1000
2200
800
1400
P mm
v=1,60 m/s
v=2,50 m/s
630
oboustranné
1400
D mm
400
3800
3800
4000
5000
2)
4200
4200
4200
5200
5000
4400
4400
4400
5400
šířka nebo hloubka
Strojovna pro hydraulické výtahy 5)
2)
šachty x 2000 mm
H mm
2000
Strojovna pro elektrické výtahy 6)
v=0,63 m/s
v=1,00 m/s
v=1,6 m/s
v=2,5 m/s
plocha
6)
6)
plocha
6)
6)
plocha
6)
6)
plocha
6)
6)
2
m
T mm
R mm
H mm
2
m
T mm
R mm
H mm
2
m
T mm
R mm
H mm
2
m
T mm
R mm
H mm
6
1600
3000
6
1600
3000
2)
2)
2)
2)
2)
2)
2)
2)
7,5
10
12
2200
2400
3200 3700 4200
2000
7,5
10
12
2200
2400
3200 3700 4200
2000
10
12
14
2200
2400
3200 3700 4200
2200
14
16
2800
3700 4200
2600
15
2500
3700
2200
15
2500
3700
2200
15
2500
3700
2200
2)
18
2)
2800
2)
20
22
4900
2400
20
3200
4900
2400
20
- 101 -
5500
2800
25
22
3200
4900
2400
20
5500
2800
25
22
3200
4900
2)
Tab. č. 6.1: Hlavní rozměry výtahu I. třídy dle ČSN ISO 4190-1
Výtahy mají část stavební a strojní (viz. obr. č. 6.1-6.3).
5500
2800
25
22
Vysvětlivky:
1) Rozměry těchto klecí nedovolují vstup invalidů na vozících
2) Nenormalizované provedení
3) Pouze pro hydraulické výtahy
4) Pouze pro elektrické výtahy
5) Podmínky umístění a národní předpisy mohou požadovat odlišné rozměry strojovny
6) Hodnoty T a R jsou minimální. Skutečné hodnoty musí dát předepsanou plochu strojovny
6.5 Hlavní části výtahů
25
3200
5500
2800
Stavební část tvoří:
- šachta výtahu,
- strojovna výtahu a prostor pro kladky.
Strojní část tvoří:
-
výtahový stroj,
klec výtahu,
vyvažovací závaží,
nosné prostředky,
vodítka výtahu,
zachycovače,
nárazníky,
dveře klecí a šachet,
ostatní zabezpečovací zařízení.
Obr. č. 6.1: Elektrický výtah KONE Mono SpaceTM
konstruovaný bez strojovny (vlevo) s výtahovým
strojem (vpravo)
- 102 -
Obr. č. 6.2: Výtah s elektromechanickým pohonem
Obr. č. 6.3: Výtah se strojovnou nahoře nad
šachtou
1-výtahový stroj, 2-hnací lanový kotouč,
3-vodící kladky (hnané), 4-ocelová lana,
5-kladky pro klec a závaží výtahu,
6-nosník vodících kladek, 7-klec výtahu
8-vyvažovací závaží, 9-nárazníky,
10-betonový základ pod výtahový stroj,
11-tlumící desky, 12-vodítka klece nebo závaží,
13-šachta výtahu, 14-strojovna výtahu,
15-základová půda, zemina
1-výtahový stroj, 2-hnací lanový kotouč,
3-nosná lana, 4-klec, 5-vyvažovací závaží,
6-výtahová šachta, 7-nárazníky klece,
8- nárazník vyvažovacího závaží, 9-klecové dveře,
10-šachetní dveře, 11-dveře do strojovny výtahu,
12-montážní otvor,
F-horní část šachty nad horní krajní stanicí,
H-výška strojovny
P-prohlubeň
- 103 -
Šachta výtahu
Šachta je prostor, ve kterém se pohybuje klec a vyvažovací závaží. Tento prostor je
ohraničen podlahou v prohlubni, stěnami a stropem. Je přístupná šachetními dveřmi a dveřmi
pro údržbu (minimálně 600x400 mm).
Šachetní dveře slouží jako vstupy do klecí. Jsou obvykle plnostěnné kovové a musí
být provedeny tak, aby se v průběhu doby nedeformovaly a byly odolné proti požáru. Světlá
výška šachetních dveří je minimálně 2,0 m a jejich světlá šířka nesmí přesahovat šířku vstupu
do klece o více než 0,05 m, pokud nejsou učiněna vhodná bezpečnostní opatření.
Mimo šachetní dveře jsou v šachtě ještě otvory
-
pro odvod plynu a kouře při požáru,
pro větrání,
pro montáž mezi šachtou a strojovnou výtahu.
Stěny, strop a podlaha jsou z nehořlavých materiálů, které nepodporují tvoření prachu
a mají dostatečnou pevnost. Jsou to např. zdivo, beton, sklo s tloušťkou minimálně 7,5 mm,
sklo s drátěnou vložkou, apod. Vnitřní povrch stěny šachty musí tvořit po celé šířce vstupu
do šachty souvislou a hladkou plochu, s výjimkou mezer u dveří, které jsou nutné
z provozních důvodů.
Spodní část šachty končí prohlubní, jejichž podlaha je vodorovná. Výjimku tvoří
podezdívky nárazníků, vodítek a zařízení k odvodnění šachty. Přístup do prohlubně do
hloubky maximálně 2,5 m se přístup zajišťuje dveřmi o výšce minimálně 1,4 m a šířce
minimálně 0,6 m. Dveře musí být otvíratelné ven a zamykatelné. Prohlubeň je opatřen
ovladačem STOP pro vyjmutí výtahu a elektrickou zásuvkou. Ve společné šachtě pro klece a
vyvažovací závaží několika výtahů nebo malých nákladních výtahů se v dolní části do výše
2,5 m ode dna šachty zřídí mezi těmito pohybujícími se díly přepážka. Jestliže je vodorovná
vzdálenost hrany stropu klece k pohybující se části sousedního výtahu nebo malého
nákladního výtahu menší než 0,3 m, musí se provést přepážka po celé výšce šachty.
Horní část šachty končí stropem, který zabraňuje pádu předmětů do výtahové šachty.
V bytových stavbách musí být šachta ohrazena ze všech stran po celé výšce. Podle ČSN EN
81-1 se nedoporučuje umisťovat výtahové šachty nad prostory, které jsou přístupné osobám.
V opačném případě je nutno provést úpravy po dohodě s výrobcem.
- 104 -
Zařízení jako potrubní, elektrická vedení, apod. která nepatří výlučně k výtahu, se do
výtahové šachty umísťovat nesmějí. Pro provádění oprav a údržbářské práce se ve výtahové
šachtě instaluje elektrické osvětlení. Pro větrání šachty jsou určeny větrací otvory v horní
části šachty o průřezu minimálně 1% půdorysu šachty; vedou přímo mimo šachtu přes
strojovnu anebo přes prostor pro kladky.
Strojovna výtahu a prostor pro kladky
Strojovna výtahu je samostatná, uzamykatelná, osvětlená a dobře větraná místnost,
jejíž stěny, strop, podlaha a dveře, popř. poklop, jsou plnostěnné a z nehořlavého materiálu.
Minimální výška strojovny pro elektrické výtahy je 2 m. V této místnosti je umístěn výtahový
stroj s jeho příslušenstvím a další zařízení včetně elektrických přístrojů pro zařízení a
zajištění bezpečnosti provozu výtahu. Výtahový stroj, jeho příslušenství a prostor pro kladky
smějí být přístupné pouze oprávněným osobám (údržba, oprava, revize, apod.). Výjimečně
lze výtahový stroj, jeho příslušenství a kladky umístit v prostoru, který slouží i k jiným
účelům (např. do průchodu na ploché střechy), jestliže je oddělen přepážkou minimálně 1,8
m vysokou a uzamykatelnou dveřmi.
V každé strojovně je nutno, při hmotnosti jednotlivých dílů výtahového stroje větší
než 100 kg, umístit nad strojem ocelový nosník ve výšce minimálně 1,8 m nad podlahou.
Tento nosník slouží k umístění zařízení, ke zdvíhání těžších součástí a k montáži a demontáži
výtahového stroje. Při větším počtu výtahů je již nutná jeřábová dráha. Strojovna výtahů a
prostory pro kladky musí být suché a teplota vzduchu v rozmezí od +5 do +40 °C. Před
započetím montáže musí být strojovny výtahů a prostory pro kladky omítnuty a vybíleny (u
cihelného zdiva) nebo mít upravený povrch (u panelových staveb). Podlaha v těchto
prostorech musí být rovná, zhotovená z trvanlivých stavebních materiálů, které nepodporují
tvoření prachu a mají protiskluzový povrch. Ve strojovně výtahu a v prostorech pro kladky
nesmí být žádné zařízení, které nepatří k výtahům.
Strojovny výtahů se mají přednostně umísťovat nad šachtou, výjimečně se umísťují
dole vedle šachty a ojediněle v mezilehlé poloze (nákladní výtahy).
- 105 -
Vstup do strojovny výtahu a prostoru pro kladky je přes ocelové dveře o rozměrech
minimálně 0,6x1,8 m (do strojovny) a 0,6x1,4 m (do prostoru pro kladky), které jsou
otevírány směrem ven. V blízkosti těchto dveří se umísťuje hlavní vypínač a světelný
vypínač. Přístup osob do prostoru pro kladky bývá přednostně po schodech opatřeného
zábradlím z nehořlavého materiálu. Šířka schodiště je minimálně 0,6 m, světlá výška
přístupových cest s dveří je minimálně 1,8 m. Výjimečně se mohou použít žebříky
z nehořlavého materiálu, které splňují následující požadavky:
- jsou bezpečné proti sklouznutí a překlopení,
- mají v pracovní poloze sklon mezi 70 až 76° k vodorovné rovině , pokud nejsou
pevně ukotveny a nejsou nižší než 1,5 m.
Tyto žebříky se opatřují v horní části madlem. Žebříky delší než 3 m se opatřují
ochranným košem. Poklopy, které slouží pro vstup, musí mít volný průchod minimálně
0,8x0,8 m a nesmějí se otvírat dolů. Výjimku tvoří poklopy spojené s výsuvnými schody.
Strojovnu lze větrat větracími průduchy nebo sklopným křídlem. Větrací průduchy při
podlaze musí být zajištěny sklopnými žaluziemi. U větších strojoven nebo u strojoven, které
nesouvisí s nižšími prostory se doporučuje nucené větrání (např. strojovny pro několik
výtahů). Strojovny výtahů ani prostory pro kladky se nesmějí používat k větrání budovy.
Výtahový stroj
Výtahový stroj je část pohonu, který přeměňuje energii zdroje na pohyb pomocí
mechanických, hydraulických nebo jiných prostředků (obr. č. 6.5, 6.6). Každý výtah musí mít
alespoň jeden vlastní výtahový stroj. Umísťuje se zpravidla ve strojovně a skládá se z těchto
částí:
-
hnacího elektromotoru,
mechanického a převodového ústrojí,
brzdového zařízení,
hnacího lanového kotouče,
spojky ložiska , hřídele a rámu výtahového stroje.
Příklady používaných druhů výtahových strojů a jejich částí jsou na obr. č.6.1 až 6.3.
Ideální diagram jízdy výtahového stroje je na obr. č. 6.4.
- 106 -
Poháněcí elektromotory výtahů
Hlavními požadavky na elektrický pohon výtahu jsou minimální čas výtahu, plynulá a
pohodlná jízda, vysoká přesnost zastavování v cílových podlažích a ekonomický provoz
(malá spotřeba energie, nízké náklady na údržbu).
Pro pohon výtahů jsou k dispozici různé druhy elektromotorů a různé systémy řízení
rychlostí (viz tab. č. 6.2). Základní provozní požadavky na výtahový elektromotor jsou
následující:
- vhodný tvar momentové charakteristiky,
- tepelné dimenzování musí vycházet z předpokládané hustoty spínání a zatěžovatele,
- motor musí být schopen pracovat v motorickém i generatorickém režimu při obou
smyslech točení (čtyřkvadrantový pohon), tj.
motorický stav-zdvihání klece-točivý moment +M, otáčky +n,
generatorický stav-spouštění klece-točivý moment +M, otáčky –n,
motorický stav-spouštění klece, převaha závaží-točivý moment –M, otáčky –n,
generatorický stav-zdvihání klece-převaha závaží-točivý moment –M, otáčky +n,
-statický moment lze vyjádřit:
-I.Q-motorický stav-otáčení v protisměru hodinových ručiček,
-2.Q-generatorický stav-otáčení v protisměru hodinových ručiček,
-3.Q-motorický stav-otáčení ve směru hodinových ručiček,
-4.Q-generatorický stav-otáčení ve směru hodinových ručiček,
-minimální hlučnost a vibrace,
-poměrný záběrný proud, tzn., že poměr záběrného proudu k jmenovití hodnotě by
měl být co nejmenší,
-u většiny elektromotorů je třeba vyvést hřídel na obě strany, aby bylo možné na
volný konec hřídele nasadit ruční kolo pro nouzový pohon.
Druh elektrického motoru závisí především na jmenovité rychlosti výtahu, ale také na
jeho nosnosti.
Jmenovitá rychlost
V [m/s]
Do 0,5 (0,63)
0,63 až 1,0
1,0 až 2,5
Přes 2,5
Druh elektromotoru
Třífázový asynchronní
s kotvou nakrátko nebo
kroužkovou
Třífázový asynchronní a
kotvou nakrátko,
dvourychlostní
Třífázový asynchronní
s kotvou nakrátko, jedno
nebo dvourychlostní
Pomaloběžný
stejnosměrný motor
s cizím buzením
Regulace rychlosti
Výtahový stroj
Převodový
Převodový
Tyristorový měnič
Napětí nebo měnič
kmitočtu
Převodový
Rotační nebo statický
měnič napětí
Bezpřevodový
Tab. č. 6.2: Druhy elektrického pohonu
- 107 -
Obr. č. 6.4: Ideální diagram jízdy výtahového zařízení
a-zrychlení [m.s-2], zpomalení [m.s-2],
b-změna zrychlení [m.s-3],
v-rychlost klece [m.s-1],
s-dráha klece [m],
t-čas [s],
amax/min-maximální/minimální fyziologicky
přijatelné zrychlení a zpomalení
pro člověka při jízdě výtahem,
bmax/min- fyziologicky podmíněná změna
zrychlení
Obr. č. 6.5: Konstrukce výtahového stroje
1-trojfázový asynchronní elektromotor,
2- pružná spojka,
3-šneková převodová skříň,
4-dvoučelisťová brzda,
5- pastorek na hřídeli převodové skříně,
6- ložisko,
7- nosný rám výtahového stroje,
8- ozubený věnec,
9- disk hnacího lanového kotouče,
10-věnec s drážkami pro nosná lana,
11-kluzná pouzdra,
12- rám stroje
- 108 -
Obr. č. 6.6: Konstrukce bezpřevodového výtahového stroje pro nosnost 750 kg (10 osob). Určen pro
rychlovýtahy s rychlostí 2,0 až 2,5 m.s-1 a výše. Jmenovitý výkon stroje je 10,3 kW, jmenovité otáčky
pomaluběžného stejnosměrného elektromotoru 190 min-1, cizí buzení motoru (derivační budič), jmenovitá
rychlost výtahu 2 m.s-1, zdvih výtahu 32m.
1-hřídel,
2- hnací kotouč (třecí lanový kotouč),
3,4-valivé ložisko hřídele,
5- komutační pól elektromotoru,
6- hlavní pól elektromotoru,
7-vinutí komutačního pólu,
8- vinutí hlavního pólu
9-brzdový elektromagnet (zajištění polohy motoru
po zastavení a po nouzovém vypnutí motoru )
10- kotva nebo rotor stejnosměrného
elektromotoru,
11- komutátor
12- kartáče a kartáčové drážky
- 109 -
Obr. č. 6.7: Konstrukce výtahového
stroje S4, od fy. Výtahy, s.r.o
Klec
Klec je část výtahu, která slouží k umístění a dopravě osob nebo nákladů. Je
namontována v nosné kostře. Klec je ohrazena plnými stěnami, podlahou a stropem. Všechny
tyto části musí mít dostatečnou mechanickou pevnost a snést síly, kterým je klec vystavena
během normálního provozu výtahu, při vybavení zachycovači nebo při dosednutí klece na
nárazníky. Světlá výška klece a vstupu do klece je minimálně 2 m. Vstupy do klece musí mít
plnostěnné dveře. Výjimku tvoří nákladní výtahy a výtahy pro automobily, kdy mohou být
použity děrované dveře nebo dveře z pletiva. Při použití plnostěnných dveří musí být v horní
a dolní části větrací otvory, jejichž účinná plocha má být minimálně 1 % užitné plochy klece.
Klec musí být vybavena elektrickým osvětlením.
Ke kovové kostře jsou připevněny:
-
závěs, jehož prostřednictvím je klec, resp. vyvažovací závaží upevněna k nosným
orgánům. Každý nosný orgán musí být k závěsu upevněn samostatně,
vodící čelisti zajišťující vedení po vodítkách,
zachycovače,
závěs a pohon kabinových dveří.
- 110 -
Vyvažovací závaží
Vyvažovací závaží (na obr. č. 6.2, 6.3) vyvažuje zcela hmotnost klece
s příslušenstvím a část hmotnosti břemene (40-50 %). Je stejně jako klec, vedeno vodítky
buď v téže šachtě jako klec, nebo v samostatné šachtě. Vyvažovací závaží může být buď
z jednoho kusu nebo z několika navzájem spojených částí-litinové nebo betonové hranoly.
Prostřednictvím spojovacích táhel jsou hranoly zavěšeny na příčníku se závěsem, např.
čtyřlanovým. Vodítka mohou mít průřezy tvaru T nebo kruhový průřez. Vedení je kluzné.
Nosné prostředky výtahů
K zavěšení klece a vyvažovacího závaží výtahu slouží buď ocelová lana nebo
kloubové řetězy. Přenášejí i sílu pro zdvihání klece nebo závaží z výtahového stroje. Dnes se
používají převážně ocelová lana o jmenovitém průměru minimálně 8 mm. Kloubové řetězy se
používají jen u výtahů s malou dopravní rychlostí a s omezeným zdvihem. Lana (nebo řetězy)
musí být alespoň dvě.
Obr. č. 6.8: Schéma výtahu se strojem v horní poloze s
jedním opásáním hnacího kotouče a s lanovým převodem
Obr. č. 6.9: Schéma výtahu se strojem v dolní
poloze, s jedním opásáním hnacího kotouče a
s lanovým převodem
- 111 -
Obr. č. 6.10: Schéma výtahu se strojem v mezilehlé poloze, s jedním opásáním hnacího kotouče a
s lanovým převodem
Na obr. č. 6.8-6.10 jsou schematicky naznačeny principy výpočtu výtahu
s elektrickým pohonem. Na jednom konci lana působí hmotnost klece K (kg), dovolená
hmotnost zatížení klece Q (kg), hmotnost jedné větve nosných lan L1 (kg), na druhém konci
lana působí hmotnost vyvažovacího závaží Z (kg) a hmotnost druhé větve nosných lan L2
(kg).
Trakční únosnost lanového kotouče, tj. schopnost přenosu hnací síly na nosná lana
je dána Eulerovým vztahem:
T1
≤ e μ .αG
T2
[-]
kde
T1 je tahová síla v lanech na nabíhající straně hnacího bubnu [N],
T2 je tahová síla v lanech na odbíhající straně hnacího bubnu [N],
f- součinitel smykového tření v drážce hnacího kotouče [-],
αG- geometrický úhel opásání [rad].
- 112 -
(6.1),
Nejkritičtější případ nastává při největším rozdílu nabíhající a odbíhající síly: T1-T2,
tj. dochází k rozběhu prázdné klece z horní úvratě (tj. klec je pod výtahovým strojem nahoře).
Obr. č. 6.11: Simulace rozběhu prázdné klece z horní polohy výtahu
K-hmotnost klece, Z-hmotnost vyvažovacího závaží, mL- hmotnost nosných lan nad vyvažovacím
závažím, mL’-hmotnost nosných lan klecí, F1- setrvačná síla působící na straně závaží, F2- setrvačná síla
působící na straně klece, a-zrychlení pohyblivých hmot soustavy
Dle obr. č. 6.11 platí pro nabíhající a odbíhající větev výtahu:
T1 = ( Z + mL ).g + F1 , kde F1 = ( Z + mL ).a
[N]
(6.2),
T2 = ( K + m′L ).g − F2 , kde F2 = ( K + m′L ).a
[N]
(6.3),
Po dosazení do vztahu pro trakční únosnost lanového kotouče (6.1):
(Z + mL )(g + a ) ≤ e μ .α
(K + m′L )(g − a )
G
[-]
(6.4)
[-]
(6.5),
a po úpravě
(Z + mL ) .κ ≤ e μ .α
(K + m′L )
G
kde součinitel zrychlení κ obvykle nabývá hodnot dle tab. č. 6.3 podle ustálené rychlosti
výtahu.
- 113 -
v [m.s-1]
0,7
1
1,4
2
2,8
4
6,3
κ
1,12
1,15
1,21
1,22
1,28
1,31
1,33
Tab. č. 6.3: Součinitel zrychlení κ
Součinitele tření μ (μk, μp) pro drážku se zářezem a bez zářezu (obr. č. 1.5.13) lze
teoreticky vyjádřit podle geometrie drážky dle vztahů (1.5.6) a (1.5.7).
Tíha vyrovnávacího závaží (obr. č. 6.11) je dána:
Z .g = (0,4 ÷ 0,5).Q.g + K .g
[N]
(6.6),
[kW]
(6.7),
kde
Q je hmotnost dovoleného zatížení klece [kg]
K-hmotnost klece [kg].
Výkon elektromotoru:
P=
F .v
1000.η C
kde
F-obvodová síla [N]
v-obvodová rychlost [m.s-1]
ηc-celková účinnost výtahu [-]
Obvodová síla je dána rozdílem nabíhající a odbíhající síly v laně:
F=
Q.g + K .g − Z .g
+ mL .g − m′L .g
ik
[N]
(6.8),
[m.s-1]
(6.9),
[m.s-1]
(6.10)
kde
ik je lanový převodový poměr [-].
Provozní rychlost:
vv =
π .D.n
60.iC
kde
n-synchronní otáčky elektromotoru [min-1],
D- roztečný průměr bubnu [m],
iC-celkový převodový poměr [-].
Obvodová rychlost třecího kotouče:
v = vv .ik
- 114 -
Celkový převodový poměr:
iC = iS .iCK .ik
[-]
(6.11),
[-]
(6.12),
[N.m]
(6.13),
[-]
(6.14),
kde
iS- převodový poměr šnekového soukolí [-],
iCK- převodový poměr čelního kola [-].
Celková účinnost výtahu:
ηC = ηCK .η S .η h .η K .ηV
kde
ηCK-účinnost čelního kola [-],
ηS- účinnost šnekového soukolí [-],
ηh-účinnost třecího kotouče [-],
ηK-účinnost lanového převodu [-],
ηV-účinnost vodítek [-].
Kroutící moment, který musí brzda spolehlivě ubrzdit
Mk =
F .D.η c
iS .iCK
Bezpečnost nosných lan:
k=
n.N j
Z⎞
⎛
g.⎜ Q + K + mL + m′L + ⎟
2⎠
⎝
≥ k dov
kde
Nj- jmenovitá nosnost lana [N],
n-počet nosných lan [-],
Z-hmotnost závaží vyvažovacích lan [kg],
kdov-koeficienty bezpečnosti nosných lan (viz tab. č. 6.4)
Výtahový stroj
Bubnový
s třecím
kotoučem
Rychlost
[m.s-1]
<1m.s-1
<1 m.s-1
<2 m.s-1
>2 m.s-1
Typ výtahu 1, 2, 3
Typ výtahu 4, 5, 6
8
10
11
12
9
11
13
14
- 115 -
Tab. č. 6.4: Koeficienty bezpečnosti lan pro různé rychlosti a různé typy výtahu:
1-výtahy, do jejichž klece nesmějí osoby vstupovat,
2-malé nákladní výtahy do nosnosti 100 kg,
3- výsypné (skipové) výtahy,
4- pro dopravu osob a majetku,
5- výtahy, kde osoby smějí do klece při nakládání vstupovat,
6- stolové výtahy s poklopem.
Vodítka klece
Klec výtahu je vedena ocelovými vodítky (speciální průřez tvaru T), kotvenými ve
výtahové šachtě. Zděné a betonové šachty vyžadují svislý posuv vodítek. Pevné uložení bývá
u ocelových konstrukcí šachet.
Nárazníky
Nárazníky se umísťují ve spodní části výtahové šachty a slouží k zastavení jízdy klece
nebo vyvažovacího závaží při přejetí dolní krajní polohy. Pružinové a hydraulické nárazníky
se počítají tak, aby klec s největším zatížením zastavily se zpožděním nejvýše 25m/s ,
průměrné zpoždění musí být menší než g. Aktivní části pružinových nárazníků je stlačená
šroubová pružina. Hydraulický nárazník se skládá z dutého válce naplněného olejem, pístu a
vratné pružiny. Olej je vytlačován z prostoru pod pístem do prostoru nad pístem průtokovými
otvory ve stěně válce. Brzdná síla pružinového nárazníku je přímo úměrná stlačení pružiny.
Brzdná síla hydraulického nárazníku má konstantní hodnotu Má-li výtah pružinové nebo
hydraulické nárazníky, uvažuje se dolní přejezd při stlačených náraznících.
Dolní přejezd klece se musí rovnat nejméně hornímu přejezdu klece zmenšenému o
volnou dráhu klece. Horní přejezd klece se určuje podle dopravní rychlosti klece.
Zabezpečovací zařízení výtahů: zachycovače a omezovače
Bezpečnost, spolehlivost a bezporuchovost jízdy výtahem mají zaručovat mechanická
zařízení např. při přetržení nosných prostředků (lan, řetězů, apod.) nebo při překročení
dopravní rychlosti výtahu stanovené předpisy a normami. Preventivně očekávané a
předpokládané poruchy stavu jízdy mají zabránit následnému poškození (zdravotního a
materiálního charakteru) v souvislosti s dopravou osob i nákladu.
Zabezpečovací zařízení tvoří mechanické prostředky:
-
samosvorné zachycovače (klínové, výstředníkové nebo válečkové), které drží klec
výtahu na velmi krátké dráze a používají se pro nižší rychlosti výtahu (ČSN EN
- 116 -
81-2),
-
klouzavé zachycovače, které zastaví klec na delší dráze třením o vodítka.
Používají se při rychlosti klece větší než 1 m/s,
-
omezovače rychlosti, které dávají impuls k činnosti zachycovačů při zvýšení
rychlosti o předem stanovanou hodnotu proti hodnotě jmenovité při jízdě klece
směrem dolů,
-
rychlostní brzdy, které zajišťují klec před pádem tak, že klec sjíždí po vodítkách
zmírněnou, avšak stálou rychlostí, až dosedne na nárazníky, které ji zastaví.
Zachycovače
Zachycovače jsou mechanické bezpečnostní prostředky pro zabrzdění, popř. zastavení
a udržení klece (vyvažovacího závaží) na vodítkách. Samosvorné zachycovače mají tyto
nevýhody: velké zpoždění klece, značné mechanické namáhání konstrukce klece a vodítek,
nežádoucí účinek na lidský organismus (možnost zranění-gravitační přetížení). Zpoždění
klece se výpočtem nedá spolehlivě stanovit. Klouzavé zachycovače mají značné výhody
především v přijatelném namáhání konstrukce klece a vodítek klešťových zachycovačů
s čelistmi nebo samosvorných zachycovačů klínových. Klešťový zachycovač je ovládán
pomocným lankem. Další přednosti tohoto zachycovače je jednoduchý ovládací systém,
plynulé zastavení, samosvorné klíny-po zapnutí do záběru-jsou nezávislé na laně omezovače,
uvolnění mechanizmu je automatické.
Omezovače rychlosti
Omezovače rychlosti se dělí na kyvadlové (obr. č. 6.12) a odstředivé. Odstředivé
mohou být konstruovány s vodorovnou a svislou osou. Kyvadlový omezovač rychlosti působí
pouze v jednom smyslu točení ovládacího lana a není vhodný pro vysoké rychlosti výtahu.
Pro jmenovité rychlosti od 1,0 do 1,5 m.s-1 se používají odstředivé omezovače rychlosti
s vodorovnou a svislou osou (Wattův), popř. zvláštní konstrukce pro jmenovité rychlosti větší
než 1,5 m.s-1. Odstředivé omezovače rychlosti reagují na zvětšování rychlosti zvětšením
odstředivé síly a nuceným zastavením kladky při současném zastavení ovládacího lana. Lano
je v klidu, pokud síla v laně nepřekročí hodnotu smykového tření v klínové drážce kladky
(pro vodorovnou osu). Omezovače rychlosti se svislou osou používají regulátory s koulemi.
Rozdíl mezi rychlostní brzdou a omezovačem rychlosti je ten, že rychlostní brzda má pouze
- 117 -
brzdit, kdežto omezovač rychlosti uvede do chodu zachycovače, ale sám omezovač nebrzdí.
Obr. č. 6.12: Kyvadlový omezovač rychlosti R5
Řízení výtahů
Řízení je soustava přístrojů, které výtah spouštějí (uvádějí do chodu), řídí a zastavují.
Řízení může být mechanické nebo elektrické. U mechanického řízení se spouští výtah lanem.
Veškeré potřebné úkony provádí řidič včetně určení směru jízdy a okamžiku zastavení.
Elektrické řízení spouští a řídí výtah elektromagnety (relé, stykače) nebo elektromotory. Pro
určení vhodného způsobu řízení výtahu jsou rozhodujícím faktorem především:
-
druh výtahu (osobní, nákladní, lůžkový, apod.),
-
typ budovy (bytová, administrativní, hotel, apod.),
-
způsob provozu (samoobsluha, provoz s řidičem, apod.).
Na základě potřebných kombinací těchto určujících hledisek vznikla řada různých
druhů řízení s různým stupněm automatizace obsluhy a provozu. V dnešní době se používají
např. jednoduchý, sběrný a skupinový způsob řízení s programem, apod.
6.6 Výtahy s hydraulickým pohonem
Hydraulický pohon výtahu (obr. č. 6.13) využívá fyzikálních zákonů hydrostatiky a
hydrauliky (Pascalův zákon a hydrostatické paradoxon). Princip pohybu je založen na vztlaku
- 118 -
pístu-plunžru. Plunžr se pohybuje v hydraulickém válci, který obsahuje pracovní kapalinuvodu, olej nebo jinou vhodnou kapalinu. Břemeno, např. klec výtahu, může být umístěna
přímo na pístové tyči či pístnici, a to u přímého pohonu klece s plunžrem, nebo se používá
teleskopická pístnice. Hydraulický válec může být umístěn vedle klece s přímým pohonem
klece plunžrem „tzv. ruksak“. Nepřímý pohon je kombinací hydraulického válce (ve
vodorovné poloze) a lanového nebo řetězového převodu na klec výtahu. Speciální řetěz a
hydraulický válec umožňují také někdy přímý pohon klece. Zdvih klece je převážně svislý.
Dráha je rovná, plynulá. Hydraulické výtahy umožňují plynulou regulaci rychlosti a přesný
dojezd klece do podlaží nezávisle na jejím zatížení. Výtahová šachta má menší půdorysné
rozměry. V téže šachtě, jako je klec, musí být umístěny hydraulické válce výtahu, které
mohou zasahovat do podzemí nebo do jiných prostorů. Strojovna není umístěna nad
výtahovou šachtou, což je architektonicky výhodné. Doporučuje se umísťovat strojovnu tak,
aby přiléhala k šachtě. Je-li ve větší vzdálenosti, musí být hydraulické potrubí a elektrické
vodiče spojující strojovnu a šachtu instalovány v ochranných trubkách nebo kanálech pouze
pro tyto rozvody. Při přímém pohonu klece není nutno používat zabezpečovací zařízení
zachycovače.
Hydraulické výtahy se nemají umísťovat do prašného prostředí a do prostředí
s agresivními výpary nebo plyny, v provozovnách např. tepelné elektrárny, chemických
závodů, apod. Hydraulické výtahy jsou vhodné pro břemena nebo náklady o velké hmotnosti
a velikosti, a to od 300 až do 20 000 kg nosnosti. Zdvih výtahu bývá 3,5 až 23 m. Jmenovitá
dopravní rychlost je závislá na zdvihu a nosnosti a zpravidla se pohybuje v rozmezí od 0,1 až
1 m/s. Teleskopické hydraulické válce s dvoustupňovou, popř. vícestupňovou pístnicí
(vysouvání jednotlivých sekcí) nejsou provozně vhodné. Přechodové jevy-rázy mají
nepříznivé fyziologické účinky na přepravované osoby a mohou mimo jiné vést
k mechanickému poškození zařízení pohonu. Technickým problémem je dokonalejší utěsnění
sekcí. Jsou též nákladnější.
Podlaha ve strojovně výtahu a výtahové šachtě musí být provedena tak, aby v případě
úniku oleje nedošlo k jeho prosakování do okolí. Pro návrh strojovny výtahu, výtahové
šachty, klece, vodítek a nárazníku platí stejné zásady jako pro elektrické výtahy a pro návrh
- 119 -
typů klecových a šachetních dveří jako dveře klecí a šachet.
Klasické obvody řízení výtahů se skládají za součástí hydraulických mechanismů.
Používají se otevřené hydraulické obvody a odpadem pracovní kapaliny-oleje- do nádrže.
Složitost obvodů je dána hlavně nosností výtahů, požadovanou rychlostí a přesností zastavení
klece. Hydraulické výtahy jsou vybaveny elektro-hydraulickou řídící a ovládací jednotkou
pohonu a hydraulickým válcem a plunžrem nebo pístnicí. Hydraulická poháněcí jednotka je
ucelená. Její hlavní části jsou: ponorný čerpadlový motor, vřetenové čerpadlo s tlumením
pulsací, speciální ventilová řídící jednotka pro pohon výtahů a nádrže na olej. Hydraulický
„zvedák“, složený z plunžru a válce mění energii čerpadla v energii pohybovou. Přenos mezi
poháněcí jednotkou a „zvedákem“ zprostředkuje vysokotlaká hadice. Řízení a ovládání klece
výtahu je elektronické pomocí moderního mikroprocesoru.
- 120 -
Obr. č. 6.13: Hydraulický výtah
a) výtah s přímým pohonem klece a s použitím teleskopické pístnice
b) výtah s přímým pohonem klece a s použitím teleskopické pístnice a umístěním hydraulického válce
v šachtě vedle klece (typ “ruksak“).
1-hydraulická poháněcí jednotka,
2-vysokotlaká hadice,
3-hydraulický válec,
4- teleskopická pístnice,
5-dosedací nákružek plunžru,
6- ochranný plášť válce,
7- klec,
8-nárazník,
9- šachta,
10-klecové dveře,
11- šachetní dveře,
12-vodítka klece,
13- nosná část klece („ruksak“)
F- horní část šachty nad horní krajní
stanicí,
P- prohlubeň,
H- hloubka prohlubně pro píst.
- 121 -
P o m o c n á z a ř í z e n í p r o m a n i p u l a c i s e s yp k ý m i h m o ta m i
7. ZÁSOBNÍKY
Zásobníky jsou nádrže geometrických tvarů (železobetonové, ocelové, hornické)
sloužící k uskladnění sypkých materiálů
Účely zásobníků:
- zrovnoměrnění navazujících technologických operací
- k optimalizaci dopravního systému
Rozdělení zásobníků
- podle funkce:
a) zásobníky pravé, t.j. určené primárně pro skladování materiálu
b) zásobníky nepravé, t.j. určené pro jinou funkci (vagóny, vlečky, skluzy
apod.), avšak využitelné i pro skladování
-
podle provedení:
a) zásobníky konstrukční: pravoúhlé (jehlancovité)- jednoduché (obr. č. 7.1)
- kombinované (obr. č. 7.1)
kruhové (kuželovité) - jednoduché (obr. č. 7.2)
-
kombinované
b) Stěrbinové zásobníky (obr. č. 7.3)
- zásobníky hornické (v hornině): svislé, šikmé a rýhové
c) zásobníky dopravníkové
- 122 -
Obr. č. 7.1 Schéma pravoúhlého jednoduchého a kombinovaného zásobníku
U kruhových zásobníků je charakteristický rozměr průměr D násypného a průměr d
výsypného otvoru. (Obr. č. 7.2)
Obr. 7.2 Půdorys kruhového zásobníku
- 123 -
Obr. 7.3 Štěrbinový zásobník
Provedení zásobníků
Doporučená podmínka pro úhel stěny (viz obr. 7.1):
β = ψ s + (5 ÷ 15°)
β 〉ν
(7.1)
[°]
Stav stěn zásobníků se časem mění, tj. opotřebovává se:
- u ŽB stěn ν roste o 5÷7°
- u ocel. stěn ν roste o 2÷3°
Pro běžné materiály β=55°
- 124 -
Doporučená podmínka pro úhel hrany (viz obr. 7.1):
[°]
ε = ν + (5 ÷ 15°)
ε 〉ψ s
(7.2)
Velikost výpustného otvoru (minimální hydraulický poměr R)
Stanovení velikosti výpustného otvoru je velice důležité při počátečním návrhu
takového zásobníku, aby zde nedocházelo k poruchám toku sypkých hmot v zásobníku, tj.
vznik mrtvých zón, komínování, klenbování apod. Vycházíme přitom z obr. č. 7.4.
Vyjmeme-li element sypké hmoty v zásobníku, zobrazíme působící síly na element a
vyjdeme-li z předpokladu, že tíha uvažovaného elementu musí být větší než velikost třecí síly
na obvodu elementu reprezentovaná počátečním smykovým napětím na plochu tohoto
obvodu.
Obr.č. 7.4 Schéma vyjmutí elementu sypké hmoty
v zásobníku a zavedení působících sil
- 125 -
G 〉 FT
S ⋅ dh ⋅ γ s 〉τ o ⋅ (1 + sin ϕ ). o. dh
R〉
τ o ⋅ (1 + sin ϕ )
γs
Minimální velikost čtvercového otvoru (a [m])
se stanoví dle vztahu dosazením (7.3) za minimální hydraulický poloměr:
[m] (7.5)
R=
a min
2
S
a
a
=
=
O 4⋅a 4
4 ⋅ τ o ⋅ (1 + sin ϕ )
=
⋅ k c + d max
γs
[m]
kc - součinitel provozní bezpečnosti, dle Zenkova kc∈
1;2
pro rudy, aglomeráty až
4
Pro obdélníkový otvor:
(bxl [m])
l = i ⋅ b, → i ∈ 1;2
[m]
R=
(7.7)
b⋅l
i ⋅ b2
i
=
= b⋅
2 ⋅ (b + l ) 2 ⋅ b ⋅ (1 + i )
2 ⋅ (1 + i )
bmin =
1 + i 2 ⋅ τ o ⋅ (1 + sin ϕ )
⋅
⋅ k c + d max
γs
i
Pro kruhový otvor: (d [m])
d min =
[m]
4 ⋅ τ o ⋅ (1 + sin ϕ )
γ s (7.9)
Pro štěrbinový otvor:
⋅ kc + d max
(l>>b [m])
- 126 -
[m]
(7.6)
(7.8)
1+ i
→1
i
2 ⋅ τ o ⋅ (1 + sin ϕ )
l 〉〉b ⇒
bmin =
γs
⋅ k c + d max
[m]
(7.10)
Vlivem špatného návrhu zásobníku z neznalostí matematicko-fyzikálních parametrů
sypkých hmot se často stává, že dochází ke vzniku již zmíněných poruch v zásobnících.
Odstranění těchto poruch je obvykle nesnadné a velmi nákladné. Provádí se:
- mechanicky → ručně
- elektromagnetickou vibrací
- pneumaticky
- pryžové polštáří
- vzduchová děla
Toky sypké látky v zásobníku
V zásobnících se nejčastěji vyskytují dva druhy materiálových toků sypké látky a to
materiálový tok, energeticky nejméně náročnější a nejvýhodnější a jádrový tok.
Materiálový tok sypké hmoty v zásobníku
Jedná se o nejideálnější pohyb sypké hmoty v zásobníku. Jednotlivé vrstvy materiálu
(obr. č. 7.1.5) tvořící isolinie (křivky stejného napětí) jsou v průběhu vyprazdňování neustále
rovnoběžné a materiál, který je nasypáván jako první do zaplněného zásobníku při jeho
otevření, vypadává vyprazdňujícím otvorem vždy až při vyprázdnění vrstev pod sebou.
Jádrový tok sypké hmoty v zásobníku
Při jádrovém toku sypké hmoty (obr. č. 7.1.5) dochází ke vzniku nežádoucích tkz.
mrtvých zón, tj. oblastí bez pohybu, obtížně odstranitelných. Materiál při vyprazdňování se
chová stejně jako v trychtýři, tj. materiál, který je nasypáván jako první, okamžitě putuje k
výpustnému otvoru, dochází k nevyužití celého skladovacího prostoru.
- 127 -
Tokové profily
Mrtvá
zóna
Hmotový tok
Jádrový tok
Obr. č. 7.5 Hmotový a jádrový tok sypké hmoty v zásobníku
Obr. č. 7.6 Graf závislosti mechanicko-fyzikálních parametrů sypké hmoty na sklonu výsypky
zásobníku
- 128 -
Pomocí tohoto grafu (obr. č. 7.6) lze pro konkrétní sypkou hmotu určenou pro
skladování navrhnout takový vnitřní kontaktní materiál a takový tvar zásobníku, aby sypká
hmota tekla pouze hmotovým tokem.
Celkový tok sypké hmoty jako celku je velice komplikovaný a závisí na mnoha
parametrech, jak sypké hmoty, tak samotného skladovacího zásobníku a proto návrh
zásobníku pro konkrétní skladovací materiál se neobejde bez odborného posouzení.
- 129 -
Obr. č. 7.7: Poruchy toku sypké hmoty v zásobníku
Obr. č. 7.8: Odstranění poruchy toku
použitím vzduchového děla (dole)
Řízené vyprazdňování pomocí otočného
šnekového vynášeče umístěného ve dně zásobníku
Přídavný ostrý hrot sloužící k rozbíjení
bloků nad dvojitým šnekovým vynášečem
Otočný šnekový vynášeč přímo na šikmé
stěně zásobníku
Obr. č. 7.9: Způsoby vyprazdňování kruhových zásobníků
- 130 -
7.2 Uzávěry zásobníků a podávače
Uzávěry zásobníku plní především funkci otevírání a zavírání výpustného otvoru
zásobníku, tj. zachycování tíhy hmoty.
Lze je rozdělit na:
-
ploché
- vodorovné (spec. tyčové uzávěry)(obr. č. 7.10)
- svislé (obr. č. 7.11)
- šikmé (obr. č. 7.12)
-
segmentové
- jednoduché (obr. č. 7.13)
- dvojité (obr. č. 7.14)
- na šikmém žlabu (obr. č. 7.15)
Vodorovný uzávěr plochý (obr. č. 7.2.1)
- 131 -
Obr. č. 7.10 Plochý vodorovný uzávěr zásobníku
K ≥ F1′⋅ μ + ( F1′ + Gu ) ⋅ w
[N] (7.11),
kde
w - měrný odpor proti pohybu (způsob vedení
μ - souč. kluzného tření mezi mat. a uzávěrem
K se volí 15÷40% větší než vypočtená hodnota
uzávěru)
Svislý uzávěr plochý (gilotina)
se používá např. i u skipových nádob. (Obr. č. 7.11)
Obr. č. 7.11: Svislý plochý uzávěr zásobníku (gilotina)
K ≥ Gu + F2′ ⋅ (μ + w)
[N]
opět o 15÷40% větší
- 132 -
(7.12)
Šikmý uzávěr plochý
Obr. č. 7.12 Šikmý plochý uzávěr
K ≥ Gu ⋅ sin α + F ′ ⋅ μ + ( F ′ + Gu ⋅ cos α ) ⋅ w
[N](7.13)
kde
F´- Jansenova síla na šikmý uzávěr a vyjadřuje se vztahem:
[N](7.14)
F ′ = F1′⋅ cos 2 α + F2′ ⋅ sin 2 α
Ve všech případech se nápory během otevírání zmenšují, vztahy uvádějí maximální
(odtrhovou) sílu pro otevírání.
- 133 -
Uzávěr segmentový jednoduchý
Obr. č. 7.13: Jednoduchý segmentový uzávěr
∑M
i
=0
[N.m] (7.15)
d
+ Gs ⋅ s
2
d
1 ⎡
⎤
K ≥ ⋅ ⎢ F1′⋅ μ ⋅ Rs + (F1′ + Gs ) ⋅ μc ⋅ + Gs ⋅ s ⎥
x ⎣
2
⎦
K ⋅ x = F1 ⋅ μ ⋅ Rs + ( F1 + Gs ) ⋅ μ c ⋅
- 134 -
[N]
(7.16)
Uzávěr segmentový dvojitý
Obr. č. 7.14: Dvojitý segmentový uzávěr
∑M
i
=0
(N)
[7.17]
K ⋅ x = F1′⋅ μ + 2 ⋅ Gs ⋅ s + ( F1′+ 2 ⋅ Gs ) ⋅ μ c ⋅
K≥
d
2
d⎤
1 ⎡
⋅ ⎢ F1′⋅ μ + 2 ⋅ Gs ⋅ s + ( F1′+ 2 ⋅ Gs ) ⋅ μ c ⋅ ⎥
x ⎣
2⎦
- 135 -
Segmentový uzávěr na šikmém žlabu
Obr. 7.15: Síly na segmentový uzávěr na šikmém žlabu
Výsledná síla na segmentový uzávěr:
F = F ′ + m ⋅ g ⋅ sin ε − μ ⋅ m ⋅ g ⋅ cos ε − m ⋅ g ⋅ k ⋅
Minimální tíha segmentu
(tj. segment se otevírá vlastní tíhou)
Gs ⋅ s − F ⋅ μ ⋅ Rs − M c = 0
G≥
[N] (7.19)
F ⋅ μ ⋅ Rs
⋅ kc
s
kde kc = 1,1 (nahrazuje čepové tření)
Síla pro otevírání segmentu
- 136 -
h
⋅μ
cos ε
[N]
(7.18)
K ⋅ x = F ⋅ μ ⋅ Rs + G s ⋅ s +
K≥
1 ⎡
⋅ F ⋅ μ ⋅ Rs + G s ⋅ s +
x ⎢⎣
( F + Gs ⋅ sin α ) 2 + (Gs ⋅ cosα ) 2 ⋅ μ c ⋅
d
2
( F + Gs ⋅ sin α ) 2 + (Gs ⋅ cosα ) 2 ⋅ μ c ⋅
d⎤
2 ⎥⎦
[N] (7.20)
Podávače
Podávače (vynášeče) jsou krátké dopravníky, které jsou zpravidla zařazovány pod
zásobníky pro následný materiálový tok na jiné zařízení.
Podávače plní většinou dvě funkce:
- vynášení materiálu ze zásobníku
- uzavírání výtoku materiálu ze zásobníku
Podávače se dělí:
- s tažným prvkem
- pásové (obr. č. 7.16)
- článkové (řetěz) (obr. č. 7.17)
- hřeblové (obr. č.7.18)
- bez tažného prvku
- šnekové (obr. č. 7.19)
- vibrační (obr. č. 7.20)
- vyhrabávací (vyhrabavací trny) - pro štěrbinové zásobníky
Podávače s tažným prvkem
Tažným prvkem je zde nekonečný dopravní pás se dvěma nebo třemi polyamidovými
vložkami nebo řetěz(y).
Pro podávače s tažným prvkem je charakteristický velký rozsah dopravních výkonů 1000 i více t/h, velký rozsah zrnitostí (prach až kusový mat.). Délka dopravníků se pohybuje
v rozmezí L∈
m a pracují v horizontální rovině.
2; 5
Pásový podávač
(obr. č. 7.16) se především používá pro neabrazivní, studené materiály (uhlí apod.).
- 137 -
Je charakteristický malými především pohybovými odpory.
Obr. č. 7.16: Pásový podávač
Článkový podávač
- 138 -
(obr. č. 7.17)
U článkového podávače unášecí orgán tvoří ocelové články vhodné zejména pro
dopravu horkého materiálu. Je robustní, proto z toho vyplývá velká nevýhoda a to ve velkých
dopravních odporech . Je zde třeba do výpočtu zahrnout vliv polygónového efektu při
náběhu článků na řetězové kolo.
Obr. č. 7.17: Článkový podávač
Hřeblový podávač
- 139 -
(obr. č. 7.18)
Je schopný dopravovat jak v dolní (běžnější) tak v horní pracovní větvi. S výhodou se
používá i pro horké materiály, je charakteristický velkými dopravními odpory (kluzné tření),
avšak není vhodný pro dopravu kamene a abrazivních materiálů.
Obr. č. 7.18: Hřeblový podávač s podáváním materiálu ve spodní větvi
- 140 -
Podávače bez tažného prvku
Šnekový podávač
(obr. č. 7.19)
Je vhodný pro nelepivé a neabrazivní mat., s oblibou se používá u prašných materiálů
(vyžaduje dokonalé utěsnění), i pro strusku i když se jedná o materiál abrazivní.
Obr. č. 7.19: Šnekový podávač
Vibrační podávač
- 141 -
(obr. č. 7.20)
U vibračního podávače je především nutný skluz, který eliminuje Jansenovou sílu.
Doprava se uskutečňuje s úklonem 0÷13° a to především materiálu sypkého, zejména
abrazivního a středně lepivého.
Obr. č. 7.20: Vibrační podávač s mechanickým budičem kmitů ve formě nevývažku
Vyhrabávače
- 142 -
slouží k vyhrabávání materiálu ze štěrbinových zásobníků. Jsou pojízdné jednostranné
nebo oboustranné, např. v hlubinných zásobnících (energetické uhlí).
Obr. č. 7.21: Štěrbinový vyhrabávač a vibrační podávač
Obr. č. 7.22: Použití vyhrabávače u stěrbinového
zásobníku
7.3 Skládky
- 143 -
Účel:
-
vyrovnání výkyvů v dodávce (zimní období)
-
technologická příprava materiálu (homogenizace)
Tvar skládky
Obr. č. 7.23: Tvar skládky
Dovolená výška skladované hromady je determinována:
-
technologickými okolnostmi (nebezpečí samovznícení)
-
dovolený tlak na půdu (zpevnění 0,3 až 0,5 MPa)
Pro skládky velkých kapacit jsou nezbytné co nejvýkonnější mechanizační prostředky
- 144 -
s plynulým provozem
Pro nasypávání je určen shazovací vůz s výložníkem
Nakládání se uskutečňuje prostřednictvím kolesového nakládače
Způsob uložení a odběru (obr. č. 7.24)
Účinnost k=odm (m) , kde m je počet vrstev
Obr. č. 7.24: Způsob uložení a odběru
- 145 -
Obr. č. 7.25: Způsob uložení a odběru z velkých skládek
Obr. č. 7.26: Použití kolesového nakladače při odběru materiálu ze skládky
- 146 -
Download

DOPRAVNÍ A MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ III.